JVM05——JVM类加载机制知多少

我们已经讲过 JVM 相关的很多常见知识点，感兴趣的朋友可以在我的往期文章中查看。接下来将继续为各位带来 JVM 类加载机制。关注我的公众号「Java面典」了解更多 Java 相关知识点。

类生命周期

一个 Java 类在 JVM 中的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initializationg）、使用（Using）和卸载（Unloading）。

加载

目的

在该阶段虚拟机会在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，以此作为方法区这个类的各种数据的入口。

加载源

类的加载可以通过以下几个方式进行：

1. Class 文件中获取；
2. 从ZIP包中读取，包括 JAR 、EAR 、WAR 等格式的压缩包；
3. 从网络中获取，如 Applet；
4. 运行时计算生成，动态代理技术（java.lang.reflect.Porxy）；
5. 其他文件生成，如由 JSP 文件生成对应的 Class文件；
6. 从数据库中读取，如 SAP NetWeaver 这样的中间件服务器。

验证

目的

为了确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。

验证动作

验证阶段主要包含下面 4 个阶段的校验动作：

1. 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；
2. 元数据验证。对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合 Java 语言规范的元数据信息；
3. 字节码验证。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；
4. 符号引用验证。发生在虚拟机符号引用转化为直接引用的时候，对类自身以外的信息（常量池中的各种符号引用）进行匹配性校验。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量的初始值阶段，即在方法区中分配这些变量所使用的内存空间。

注意

这里所说的初始值概念，比如一个类变量定义为：

public static int v = 8080;

实际上变量 v 在准备阶段过后的初始值为 0 而不是 8080，将 v 赋值为 8080 的 put static 指令是程序被编译后，存放于类构造器方法之中。

但是注意如果声明为：

public static final int v = 8080;

在编译阶段会为 v 生成 ConstantValue 属性，在准备阶段虚拟机会根据 ConstantValue 属性将 v 赋值为 8080。

解析

解析阶段是指虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。

符号引用

符号引用与虚拟机实现的布局无关，引用的目标并不一定要已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须是一致的，因为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。

解析动作

解析动作主要针对类或接口（CONSTANT_Class_info）、字段（CONSTANT_Fieldref_info）、类方法（CONSTANT_Methodref_info）、接口方法（CONSTANT_InterfaceMethodref_info）、方法类型（CONSTANT_MethodType_info）、方法句柄（CONSTANT_MethodHandle_info）和调用点限定符（CONSTANT_InvokeDynamic_info） 7 类符号引用进行。

初始化

类初始化是类加载过程的最后一步，此时才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码（或者说是字节码）。

类构造器

初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。()方法是由编译器自动收集类中的类变量的赋值操作和静态语句块中的语句合并而成的。虚拟机会保证子()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕，如果一个类中没有对静态变量赋值也没有静态语句块，那么编译器可以不为这个类生成()方法。

注意以下几种情况不会执行类初始化：

1. 通过子类引用父类的静态字段，只会触发父类的初始化，而不会触发子类的初始化；
2. 定义对象数组，不会触发该类的初始化；
3. 常量在编译期间会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用定义常量的类，不会触发定义常量所在的类；
4. 通过类名获取 Class 对象，不会触发类的初始化；
5. 通过 Class.forName 加载指定类时，如果指定参数 initialize 为 false 时，也不会触发类初始化，其实这个参数是告诉虚拟机，是否要对类进行初始化；
6. 通过 ClassLoader 默认的 loadClass 方法，也不会触发初始化动作。

双亲委派

类加载器

定义

虚拟机设计团队把加载动作放到 JVM 外部实现，以便让应用程序决定如何获取所需的类，实现这个动作的代码块称为类加载器。

分类

JVM 提供了 3 种类加载器，启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)、扩展类加载器(Extension ClassLoader)、应用程序类加载器(Application ClassLoader)。除此之外，用户还可实现自定义类加载器。其作用及其应用范围如下：

• 启动类加载器：负责加载 JAVA_HOME\lib 目录中的，或通过-Xbootclasspath 参数指定路径中的，且被虚拟机认可（按文件名识别，如 rt.jar）的类；
• 扩展类加载器：负责加载 JAVA_HOME\lib\ext 目录中的，或通过 java.ext.dirs 系统变量指定路径中的类库；
• 应用程序类加载器：负责加载用户路径（classpath）上的类库。

定义

类加载器之间的层次关系，称为类加载器的双亲委派模型。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应该有自己的父类加载器。

工作过程

双亲委派工作过程，可以有简单的一句话概括——父加载类优先加载，其具体流程为：

1. 当一个类收到了类加载请求；
2. 将这个请求委派给父类去完成，一一层层向上委派；
3. 当父类加载器反馈自己无法完成这个请求的时候（在它的加载路径下没有找到所需加载的 Class）；
4. 子类加载器才会尝试自己去加载。

采用双亲委派的一个好处是比如加载位于 rt.jar 包中的类 java.lang.Object，不管是哪个加载器加载这个类，最终都是委托给顶层的启动类加载器进行加载，这样就保证了使用不同的类加载器最终得到的都是同样一个 Object 对象。

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