虚拟机类加载机制及类加载器
1. 类加载的时机
类的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）、卸载（Unloading）7个阶段。
加载、验证、准备、解析、初始化是类的加载阶段。其中，验证、准备、解析统称为连接（Linking）。也就是加载 Class文件主要三步：加载->连接->初始化，连接过程又分为三步：验证->准备->解析。
类的生命周期
类加载过程
加载、验证、准备、初始化、卸载这5个阶段顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定，解析阶段在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始（这是为了支持Java语言的运行时绑定，也称为动态绑定或晚期绑定，见《007.虚拟机字节码执行引擎》中的方法调用）。
2. 类加载的过程
2.1 加载
Java虚拟机规范中并没有进行强制约束加载阶段的开始时机，由虚拟机的具体实现把握。
在加载阶段，虚拟机需要完成以下事情：
- 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流
- 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
- 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据结构的访问入口
加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区中，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class对象。虚拟机规范并没有明确规定此Class对象要存储在Java堆中，HotSpot虚拟机将此Class对象存放在方法区中。Class对象作为程序访问方法区中类型数据的外部接口。
一个非数组类的加载阶段（加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，这一步我们可以自定义类加载器去控制字节流的获取方式（重写一个类加载器的 loadClass() 方法）。数组类的Class对象不是由类加载器创建的，而是由 Java 虚拟机根据需要自动创建。数组类的类加载器由Class.getClassLoader()返回，该加载器与数组中的元素的类加载器是相同的，如果数组元素类型是基本数据类型，则该数组类没有类加载器。
加载阶段和连接阶段的部分内容是交叉进行的，加载阶段尚未结束，连接阶段可能就已经开始了。因为连接阶段有验证这个子阶段，在加载阶段需要同时进行验证等。
2.2 验证
如果验证到输入的字节流不符合Class文件格式的约束，虚拟机就抛出一个java.lang.VerifyError异常或其子异常。
从整体上看，验证阶段大致上包括：文件格式校验、元数据校验、字节码校验、符号引用校验。
验证阶段示意图
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文件格式验证
验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。
基于二进制字节流进行验证，只有通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中存储，之后的3个阶段是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。
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元数据验证
对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求。
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字节码验证
是整个验证过程中最复杂的一个阶段。主要目的是通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。这个阶段将对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件。
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符号引用验证
发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用时，这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验。
如果无法通过符号引用验证，将抛出一个java.lang.IncompatibleClassError异常的子类。
如果所运行的全部代码都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段，可以使用-Xverify:none关闭大部分的类验证措施，缩短虚拟机类加载的时间。
2.3 准备
准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量使用的内存将在方法区中进行分配。这里的类变量初始值“通常情况下”是数据类型的默认零值（特殊情况见下面说的ConstantValue）。
这时候进行内存分配的仅包括类变量，不包括实例变量，实例变量在对象实例化时随对象一起分配在Java堆中。
public static int value = 123;
value在准备阶段会被赋值为0。
value被赋为123是在初始化阶段执行的，由存储在类构造器<clinit>()中的putstatic指令执行的。（初始化阶段见2.5初始化阶段）
如果是
public static final int value = 123;
javac在编译时将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段，value会被初始化为ConstantValue属性指定的123。
2.4 解析
解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，也就是得到类或者字段、方法在内存中的指针或者偏移量。
- 符号引用：以一组符号来描述所引用的目标，符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。
- 直接引用：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。
虚拟机规范并未规定解析阶段发生的具体时间，只要求在执行anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、field和putstatic这16个用于操作符号引用的字节码指令前，先对它们所使用的符号引用进行解析。
解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用限定符7类符号引用进行，分别对应常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodTye_info、CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_InvokeDynamic_info7种常量类型。
2.5 初始化
初始化阶段是执行类构造器<clinit>()的过程。
- <clinit>()是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态初始化块合并生成的。编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的。
- <clinit>()不需要显式调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>()执行之前，父类的<clinit>()已经执行完毕。
- <clinit>对于类和接口不是必须的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器就可以不为这个类生成<clinit>()。
- 虚拟机会保证一个类的<clinit>()在多线程环境下正确的加锁、同步。如果多个线程同时去初始化一个类，只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()完毕。
Java虚拟机规范严格规定下面情况必须立即对类进行初始化。而且是有且仅有下面5种情况，这些情况中的行为称为对一个类进行主动引用。除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。
- 遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic字节码指令，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条这令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象时、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外），调用一个类的静态方法时。
- 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
- 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类初始化。接口则不需要这一点。接口在初始化时，不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口时才会初始化。
- 当虚拟机启动时，用户需要制定一个要执行的主类，虚拟机会先初始化这个主类。
- 当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
被动引用不会触发类的初始化，如：
- 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化。
- 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。
- 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。
// 在编译阶段常量传播优化，已经将常量池中的helloworld存储到了NotInitialization的常量池中，以后NotInitialization对常量ConstClass.HELLO的引用实际都被转化为对NotInitialization自身常量池的引用。
public class ConstClass{
public static final String HELLO = "hello world";
}
public class NotInitialization{
public static void main(String[] args){
System.out.println(ConstClass.HELLO);
}
}
3. 类加载器
3.1 双亲委派机制
从Java虚拟机角度看，存在两种类加载器：启动类加载器（Hotspot使用C++实现，是虚拟机自身的一部分），其他的类加载器（Java实现，独立于虚拟机）。
从程序员角度看，存在三种类加载器，除了 BootstrapClassLoader，其他类加载器均由 Java 实现且全部继承自java.lang.ClassLoader：
-
启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）
最顶层的类加载器，由C++实现。
负责加载<JAVA_HOME>\lib、-Xbootclasspath中的被虚拟机识别的类库，识别标准是文件名识别，如rt.jar。
启动类加载器无法被Java程序直接引用。
在自定义类加载器时，如果需要将加载请求委托给启动类加载器，直接使用null。
-
扩展类加载器（Extension ClassLoader）
由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。
负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext、java.ext.dirs中的类。
开发者可以直接使用扩展类加载器。
-
应用程序类加载器（Application ClassLoader）
由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现，也叫做系统类加载器（因为是ClassLoader.getSystemClassLoader
()的返回值）。负责加载CLASSPATH上指定的类库。
开发者可以直接使用这个类加载器。
如果没有自定义类加载器，一般情况下，这个是程序默认的类加载器。
//可以通过下面方式打印加载路径
System.out.println("boot:"+System.getProperty("sun.boot.class.path"));
System.out.println("ext:"+System.getProperty("java.ext.dirs"));
System.out.println("app:"+System.getProperty("java.class.path"));
类加载器结构
双亲委派机制
双亲委派模型：
类加载器之间的父子关系不是以继承关系实现的，而是使用组合关系来复用父加载器的代码。
工作过程：一个类加载器收到类加载的请求，首先不会自己尝试加载这个类，而是把请求委派给父类加载器完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器，只有当父加载器反馈无法完成加载请求（在搜索范围内没有找到所需的类）时，子加载器才尝试自己去加载。
查看父类加载器代码：
public class ClassLoaderDemo {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("ClassLodarDemo's ClassLoader is " + ClassLoaderDemo.class.getClassLoader());
System.out.println("The Parent of ClassLodarDemo's ClassLoader is " + ClassLoaderDemo.class.getClassLoader().getParent());
System.out.println("The GrandParent of ClassLodarDemo's ClassLoader is " + ClassLoaderDemo.class.getClassLoader().getParent().getParent());
}
}
输出结果为：
ClassLodarDemo's ClassLoader is sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
The Parent of ClassLodarDemo's ClassLoader is sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b6d3586
The GrandParent of ClassLodarDemo's ClassLoader is null
双亲委派模型的代码实现：java.lang.ClassLoader.loadClass()
private final ClassLoader parent;
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 首先，检查请求的类是否已经被加载过
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
if (parent != null) {// 父加载器不为空，调用父加载器loadClass()方法处理
c = parent.loadClass(name, false);
} else {// 父加载器为空，使用启动类加载器 BootstrapClassLoader 加载
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// 抛出异常说明父类加载器无法完成加载请求
}
if (c == null) {
long t1 = System.nanoTime();
// 自己尝试加载
c = findClass(name);
// this is the defining class loader; record the stats
sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
}
//初始化该类
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
3.2 双亲委派模型的好处
双亲委派模型保证了Java程序的稳定运行，可以避免类的重复加载（JVM 区分不同类的方式不仅仅根据类名，相同的类文件被不同的类加载器加载产生的是两个不同的类），也保证了 Java 的核心 API 不被篡改。
如果没有使用双亲委派模型，而是每个类加载器自己加载的话就会出现一些问题，比如java.lang.Object，它存放在\jre\lib\rt.jar中，它是所有java类的父类，因此无论哪个类加载都要加载这个类，而类是由加载器加类全限定名决定的，系统中就会出现不止一个Object类，应用程序就会全乱了。
3.3 自定义类加载器
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使用双亲委派模型：
继承ClassLoader，覆写findClass()
-
不使用双亲委派模型：
继承ClassLoader，覆写loadClass()、findClass()
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