Java虚拟机——类加载器深入剖析

一、java虚拟机与程序的生命周期

在如下几种情况下，java虚拟机将结束生命周期：

1、执行了System.exit()方法

2、程序正常执行结束

3、程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止

4、由于操作系统出现错误而导致java虚拟机进程终止

二、类的加载、连接与初始化

1、加载：查找并加载类的二进制数据

2、连接

a、验证：确认被加载的类的正确性

b、准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值

c、解析：把类中的符号引用转换为直接引用

3、初始化：为类的静态变量赋予正确的初始值

4、java程序对类的使用方式分为两种：主动使用和被动使用

注意：所有的java虚拟机实现必须在每个类或接口被java程序“首次主动使用”时才初始化他们。

主动使用（六种）：

a、创建类的实例

b、访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值

c、调用类的静态方法

d、反射（Class.forName("java.lang.String")）

e、初始化一个类的子类

f、java虚拟机启动时被标明为启动类的类（java Test）

除了以上六种情况，其他使用java类的方式都被看做是对类的被动使用，都不会导致类的初始化。

5、类的加载

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。

5.1、加载.class文件的方式：

a、从本地系统中直接加载

b、通过网络下载.class文件

c、从zip，jar等归档文件中加载.class文件

d、从专有数据库中提取.class文件

e、将java源文件动态编译为.class文件

5.2、类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象

5.3、Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口

5.4、有两种类型的类加载器：

a、java虚拟机自带的加载器：根类加载器（Bootsttrap）、扩展类加载器（Extension）、系统类加载器（System）

b、用户自定义的类加载器：java.lang.ClassLoader的子类、用户可以定制类的加载方式

5.5、类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载他

5.6、JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载他，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LInkageError错误）。

5.7、如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报错误。

6、类的验证

6.1、类被加载后，就进入连接阶段。连接就是将已经读入到内存的类的二进制数据合并到虚拟机的运行环境中去。

6.2、类的验证的内容：

a、类文件的结构检查：确保类文件遵从java类文件的固定格式；

b、语义检查：确保类本身符合java语言的语法规则，比如验证final类型的类没有子类，以及final类型的方法没有被覆盖；

c、字节码验证：确保字节码流可以被java虚拟机安全的执行。字节码流代表java方法（包括静态方法和实例方法），他是由被称作操作码的单字节指令组成的序列，每个操作码都跟着一个或多个操作数。字节码验证步骤会检查每个操作码是否合法，即是否有着合法的操作数。

d、二进制兼容性的验证：确保相互引用的类之间协调一致。

7、类的准备

在准备阶段，java虚拟机为类的静态变量分配内存，并设置默认的初始值。列如：对于以下Sample类，在准备阶段，将为int类型的静态变量a分配4个字节空间，并且赋予默认值0，为long类型的静态变量b分配8个字节的内存空间，并且赋予默认值0。

public class Sample{

   private static int a = 1;

   public static long b;

   static{
     b = 2;
   }
   ...
}

　　

8、类的解析

在解析阶段，java虚拟机会把类的二进制数据中的符号引用替换为直接引用。列如：如在Worker类的gotoWork()方法钟会引用Car类的run()方法。

public void gotoWork(){

   car.run();//这段代码在worker类的二进制数据中表示为符号引用

}

　　

在Worker类的二进制数据中，包含了一个父Car类的run()方法的符号引用，它由run()方法的全名和相关描述符组成。在解析阶段，java虚拟机会把这个符号引用替换为一个指针，该指针指向Car类的run(）方法在方法区内的位置，这个指针就是一个直接引用。

9、类的初始化

9.1、在初始化阶段，java虚拟机执行类的初始化语句，为类的静态变量赋予初始值。在程序中，静态变量的初始化有两种途径：

a、在静态变量的声明处进行初始化

b、在静态代码块中进行初始化

列如：静态变量a和b都被显式初始化，而静态变量c没有被显式初始化，他将保持默认值0。

public class Sample{

    private static int a = 1; //在静态变量的声明处进行初始化

    public static long b;

    public static long c;

    static {
       b = 2; //在静态代码块中进行初始化
    }
   ...
}

　　

9.2、类的初始化步骤

a、假如这个类还没有被加载和连接，那就先进性加载和连接；

b、假如类存在直接的父类，并且这个父类还没有被初始化，那就先初始化直接的父类；

c、假如类中存在初始化语句，那就依次执行这些初始化语句。

10、类的初始化时机

10.1、当java虚拟机初始化一个类时，要求他的所有父类都已经被初始化，但是这条规则不使用于接口。

a、在初始化一个类时，并不会先初始化他所实现的接口；

b、在初始化一个接口时，并不会先初始化他的父类接口。

因此，一个父类并不会因为他的子接口或实现类的初始化而初始化。只有当程序首次使用特定接口的静态变量时，才会导致该接口的初始化。

10.2、调用ClassLoader类的loadClass方法加载一个类，并不是对类的主动使用，不会导致类的初始化。

11、类加载器

类加载器用来把类加载到java虚拟机中。类的加载过程采用父亲委托机制，这种机制能更好地保证java平台的安全。在此委托机制中，除了java虚拟机自带的根类加载器以外，其余的类加载器都有且只有一个父加载器。

11.1、根类加载器：该加载器没有父加载器。他负责加载虚拟机的核心类库，如java.lang.*等。根类加载器的实现依赖于底层操作系统，属于虚拟机实现的一部分，他并没有继承java.lang.ClassLoader类。

11.2、扩展类加载器：他的父加载器为根类加载器。他从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或者从jdk的安装目录的jre\lib\ext子目录下加载类库，如果把用户创建的jar文件放在这个目录下，也会自动由扩展类加载器加载。扩展类加载器是纯java类，是java.lang.ClassLoader类的子类。

11.3、系统类加载器：也称为应用类加载器，他的父加载器为扩展类加载器。他从环境变量classpath或者系统属性java.class.path所指定的目录中加载类，他是用户自定义的类加载器的默认父加载器。系统类加载器是纯java类，是java.lang.ClassLoader类的子类。

11.4、用户还可以订制自己的类加载器（User-defined Class Loader）。java提供了抽象类java.lang.ClassLoader，所有用户自定义的类加载器应该继承ClassLoader类。

12、类加载的父委托机制

在父委托机制中，各个加载器按照父子关系形成了树形结构，除了根类加载器以外，其余的类加载器都有且只有一个父类加载器。

loader2首先从自己的命名空间中查找Sample类是否已经被加载，如果已经加载，就直接返回Sample类的Class对象引用。如果Sample还没有被加载，loader2首先请求loader1代为加载，loader1再请求系统类加载器代为加载，系统类加载器再请求扩展类加载器代为加载，扩展类加载器再请求根类加载器代为加载。

若有一个类加载器能成功加载Sample类，那么这个类加载器被称为定义类加载器，所有能成功返回Class对象的引用的类加载器（包括定义类加载器）都称为初始类加载器。

需要指出的是，加载器之间的父子关系实际上指的是加载器对象之间的包装关系，而不是类之间的集成关系。一对父子加载器可能是同一个加载器类的两个实例，也可能不是。在子加载器对象中包装了一个父加载器对象。

父亲委托机制的优点是能够提高软件系统的安全性。因为在此机制下，用户自定义的类加载器不可能加载应该由父加载器加载的可靠类，从而防止不可靠甚至恶意的代码代替由父加载器加载的可靠代码。

13、创建用户自定义的类加载器

要创建用户自定义的类加载器，只需要扩展java.lang.ClassLoader类，然后覆盖他的findClass（String name）方法即可，该方法根据参数指定的类的名字，返回对应的Class对象的引用。

当执行loader2.loadeClass("Sample")时，先由他上层的所有父加载器尝试加载Sample类。loader1从D:\myapp\serverlib目录下成功加载了Sample类，因此loader1是Sample类的定义加载器，loader1和loader2是Sample类的初始类加载器。

当执行loader3.loadClass("Sample")时，先由他上层的所有父加载器尝试加载Sample类。loader3的父加载器为根类加载器，他无法加载Sample类，接着loader3从D:\myapp\otherlib目录下成功加载了Sample类，因此loader3是Sample类的定义类加载器及初始类加载器。

14、类的卸载

当类被加载、连接、初始化后，他的生命周期就开始了。当代表类的Class对象不再被引用，即不可触及时，Class对象就会结束生命周期，类在方法区内的数据也会被卸载，从而结束类的生命周期。由此可见，一个类何时结束生命周期，取决于代表他的Class对象何时结束生命周期。

由java虚拟机自带的类加载器所加载的类，在虚拟机的生命周期中，始终不会被卸载。java虚拟机本身会始终引用这些类加载器，而这些类加载器则会始终引用他们所加载的类的Class对象，因此这些Class对象始终是可触及的。

注意：用户自定义的类加载器所加载的类是可以被卸载的。