JVM学习笔记：虚拟机的类加载机制

JVM类加载机制分两部分来总结：

（1）类加载过程

（2）类加载器

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一、JVM类加载过程

类的加载过程：加载 →连接（验证 → 准备 → 解析）→ 初始化。

类的生命周期：加载 →连接（验证 → 准备 → 解析）→ 初始化 → 使用 →  卸载。

1 加载

1.1 加载阶段要做的3件事情

• 通过一个类的全限定名来获取该类对应的二进制字节流。
• 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的访问入口。

1.2 加载完成后内存的变化

• VM外部的二进制字节流 → 方法区中（具体的数据存储格式由JVM自行定义）
• 内存中产生了一个java.lang.Class类的对象（对于HotSpot虚拟机而言，Class对象放在了方法区中）

2 连接

连接阶段分为3个子阶段：验证、准备和解析。

2.1 验证

目的是为了确保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。这个阶段分为4个子阶段：

（1）文件格式验证

验证字节流是否符合Class文件格式的规范。

这个阶段和加载阶段是交叉进行的，即一边加载一边验证文件格式。

这个阶段是基于二进制字节流进行的，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进行存储。

后面3个阶段都是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。

（2）元数据验证

对字节码描述的信息进行语义分析，确保符合Java语言规范的要求。

（3）字节码验证

对类的方法体进行校验分析。

（4）符号引用验证

这个阶段发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段（解析阶段）中发生。

2.2 准备

在方法区中为类变量分配内存，并设置类变量的初始值。

不包括实例变量，仅包括类变量（static修饰的变量）。

这里说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。final修饰的除外。

pirvate static int value = 12;
pirvate static final int size = 23;

上例中，在这个阶段，value的值为0，而不是12。 size的值为23，而不是0。final修饰的类变量将会赋值成真实的值。

2.3 解析

时机：在执行如下字节码指令前，要先对它们所使用的符号引用进行解析。（anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_dw、multianewarray、new、putfield和putstatic）

任务是：JVM将常量池的符号引用替换为直接引用。

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、方法句柄和调用点限定符7类符号引用。

符号引用（Symbolic References）：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机的内存布局无关。 
直接引用（Direct Reference）：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。直接引用与虚拟机的内存布局有关。如果有了直接引用，引用的目标必定已在内存中。

3 初始化

3.1 初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

3.2 <clinit>() 方法是由编译器自动收集类中所有的类变量的赋值动作和静态语句块（ static{}）中的语句合并产生，收集的顺序由语句在源文件中出现的顺序决定，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，可以赋值，但不能访问。

3.3初始化的时机

Java虚拟机规范没有强制性约束在什么时候开始类加载过程，但是对于初始化阶段，虚拟机规范则严格规定了有且只有5种情况必需立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备阶段则必需在此之前开始），这5种情况归类如下：

• 遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这四条字节码指令的时候。生成这4条指令最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象时、读取或者设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）时、以及调用一个类的静态方法的时候。
• 使用java.lang.reflect进行反射调用的时候。
• 当初始化一个类的时候，发现其父类还没有初始化，那么先去初始化它的父类。
• 当虚拟机启动的时候，需要初始化main函数所在的类。
• 当使用 JDK 1.7 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，并且这个方法句柄锁对应的类没有进行出事，则需要先触发其初始化。

除了上面这5种方式，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。如：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；通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化；引用类的静态常量不会触发定义常量的类的初始化，因为常量在编译阶段已经被放到常量池中了。

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二、JVM类加载器

类加载器用于完成“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”。

任何一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身来确立其在 JVM 中的唯一性，每个类加载器都拥有一个独立的类名称空间。

附：官网资料。

1 从JVM的角度，只存在两种不同的类加载器

（1）启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），是JVM的一部分；

（2）其他所有的类加载器，用Java语言实现，独立于JVM，全部继承自 java.lang.ClassLoader。

2 从开发人员角度，程序会使用到3中系统提供的类加载器和用户自定义的类加载器

（1）启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

这是JVM的根ClassLoader，它是用C++实现的，JVM启动时初始化此ClassLoader，并由此ClassLoader负责加载存放在 <JAVA_HOME>\lib 目录中的，或者被 -Xbootclasspath 参数所指定的路径中的，且是虚拟机识别的（仅安装文件名识别，如 rt.jar）类库。

（2）扩展类加载器（Extension ClassLoader）

负责加载 <JAVA_HOME>\lib\ext 目录中下、或者被 java.ext.dirs 系统变量制定的路径下的所有类库。

（3）应用程序类加载器（Application ClassLoader 或者 System ClassLoader）

这个类加载器也称为系统类加载器，负责加载用户类路径上所指定的类库。JVM用此classloader来加载启动参数中指定的Classpath中的jar包以及目录，在Sun JDK中ClassLoader对应的类名为AppClassLoader。

（4）User-Defined ClassLoader

User-DefinedClassLoader是Java开发人员继承ClassLoader抽象类自行实现的ClassLoader，基于自定义的ClassLoader可用于加载非Classpath中的jar以及目录。

上图展示的关系称为类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation Model）。

双亲委派模型要求除了启动类加载器之外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器，这种父子关系一般用组合实现：一个类加载器收到类加载请求时，首先委托给父类去加载，父类又递归地委托给自己的父类去加载，只有在父类无法加载时才自己尝试去加载。双亲委派模型不是强制的，只是建议。

适当地不遵守双亲委派模型可以实现一些特殊的类加载需求，比如热部署。

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参考资料

《深入java虚拟机：VM高级特性与最佳实践》

JVM 类加载机制 http://itindex.net/detail/47033-jvm

JVM学习笔记（六）：类加载的时机 http://chenzhou123520.iteye.com/blog/1597597

符号引用和直接引用 http://blog.csdn.net/lantian0802/article/details/9152657

附上思维导图