01.虚拟机的类加载机制

虚拟机的类加载机制

JVM会在程序第一次主动引用类的时候，加载该类，被动引用时并不会引发类加载的操作。也就是说，JVM并不是在一开始就把一个程序就所有的类都加载到内存中，而是到不得不用的时候才把它加载进来，而且只加载一次。那么什么是主动引用，什么是被动引用呢？

主动引用
- 遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic字节码指令，例如：
  - 使用new实例化对象；
  - 读取或设置一个类的static字段（被final修饰的除外）；
  - 调用类的静态方法。
- 对类进行反射调用；
- 初始化一个类时，其父类还没初始化（需先初始化父类）；
  - 这点类与接口具有不同的表现，接口初始化时，不要求其父接口完成初始化，只有真正使用父接口时才初始化，如引用父接口中定义的常量。
- 虚拟机启动，先初始化包含main()函数的主类；
- JDK 1.7动态语言支持：一个java.lang.invoke.MethodHandle的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic。
被动引用
- 通过子类引用父类静态字段，不会导致子类初始化；
- Array[] arr = new Array[10]; 不会触发Array类初始化；
- static final VAR 在编译阶段会存入调用类的常量池，通过 ClassName.VAR 引用不会触发ClassName初始化。

也就是说，只有发生主动引用所列出的5种情况，一个类才会被加载到内存中，也就是说类的加载是lazy-load的，不到必要时刻是不会提前加载的，毕竟如果将程序运行中永远用不到的类加载进内存，会占用方法区中的内存，浪费系统资源。

显示加载：
- 调用 ClassLoader#loadClass(className) 或 Class.forName(className)。
- 两种显示加载.class文件的区别：
  - Class.forName(className) 加载class的同时会初始化静态域，ClassLoader#loadClass(className) 不会初始化静态域；
  - Class.forName借助当前调用者的class的ClassLoader完成class的加载。
隐式加载：
- new类对象；
- 使用类的静态域；
- 创建子类对象；
- 使用子类的静态域；
- 其他的隐式加载，在JVM启动时：
  - BootStrapLoader会加载一些JVM自身运行所需的Class；
  - ExtClassLoader会加载指定目录下一些特殊的Class；
  - AppClassLoader会加载classpath路径下的Class，以及main函数所在的类的Class文件。

加载 --> 验证 --> 准备 --> 解析 --> 初始化 --> 使用 --> 卸载
       |<------- 连接 ------->|
|<------------- 类加载 ---------------->|

类的生命周期一共有7个阶段，其中前五个阶段较为重要，统称为类加载，第2 ~ 4阶段统称为连接，加载和连接中的三个过程开始的顺序是固定的，但是执行过程中是可以交叉执行的。接下来，我们将对类加载的5个阶段进行一一讲解。

目的： 确保.class文件中的字节流信息符合虚拟机的要求。
4个验证过程：
- 文件格式验证：是否符合Class文件格式规范，验证文件开头4个字节是不是 “魔数” 0xCAFEBABE
- 元数据验证：保证字节码描述信息符号Java规范（语义分析）
- 字节码验证：程序语义、逻辑是否正确（通过数据流、控制流分析）
- 符号引用验证：对类自身以外的信息（常量池中的符号引用）进行匹配性校验
这个操作虽然重要，但不是必要的，可以通过 -Xverify:none 关掉。

描述： 为static变量在方法区分配内存。
static变量准备后的初始值：
- public static int value = 123;
  - 准备后为0，value的赋值指令putstatic会被放在 <clinit>() 方法中，<clinit>()方法会在初始化时执行，也就是说，value变量只有在初始化后才等于123。
- public static final int value = 123;
  - 准备后为123，因为被 static final 赋值之后value就不能再修改了，所以在这里进行了赋值之后，之后不可能再出现赋值操作，所以可以直接在准备阶段就把value的值初始化好。

描述： 将常量池中的 “符号引用” 替换为 “直接引用”。
- 在此之前，常量池中的引用是不一定存在的，解析过之后，可以保证常量池中的引用在内存中一定存在。
- 什么是 “符号引用” 和 “直接引用” ？
  - 符号引用：以一组符号描述所引用的对象（如对象的全类名），引用的目标不一定存在于内存中。
  - 直接引用：直接指向被引用目标在内存中的位置的指针等，也就是说，引用的目标一定存在于内存中。

描述： 执行类构造器 <clinit>() 方法的过程。
<clinit>() 方法
- 包含的内容：
  - 所有static的赋值操作；
  - static块中的语句；
- <clinit>() 方法中的语句顺序：
  - 基本按照语句在源文件中出现的顺序排列；
  - 静态语句块只能访问定义在它前面的变量，定义在它后面的变量，可以赋值，但不能访问。
- 与 <init>() 的不同：
  - 不需要显示调用父类的 <clinit>() 方法；
  - 虚拟机保证在子类的 <clinit>() 方法执行前，父类的 <clinit>() 方法一定执行完毕。
    - 也就是说，父类的static块和static字段的赋值操作是要先于子类的。
- 接口与类的不同：
  - 执行子接口的 <clinit>() 方法前不需要先执行父接口的 <clinit>() 方法（除非用到了父接口中定义的public static final变量）；
- 执行过程中加锁：
  - 同一时刻只能有一个线程在执行 <clinit>() 方法，因为虚拟机要保证在同一个类加载器下，一个类只被加载一次。
- 非必要性：
  - 一个类如果没有任何static的内容就不需要执行 <clinit>() 方法。

注：初始化时，才真正开始执行类中定义的Java代码。

“相等” 的要求
- 同一个.class文件
- 被同一个虚拟机加载
- 被同一个类加载器加载
判断 “相等” 的方法
- instanceof 关键字
- Class对象中的方法：
  - equals()
  - isInstance()
  - isAssignableFrom()

工作过程
- 当前类加载器收到类加载的请求后，先不自己尝试加载类，而是先将请求委派给父类加载器
  - 因此，所有的类加载请求，都会先被传送到启动类加载器
- 只有当父类加载器加载失败时，当前类加载器才会尝试自己去自己负责的区域加载
实现
- 检查该类是否已经被加载
- 将类加载请求委派给父类
  - 如果父类加载器为null，默认使用启动类加载器
  - parent.loadClass(name, false)
- 当父类加载器加载失败时
  - catch ClassNotFoundException但不做任何处理
  - 调用自己的findClass()去加载
    - 我们在实现自己的类加载器时只需要 extends ClassLoader，然后重写 findClass() 方法而不是 loadClass() 方法，这样就不用重写 loadClass() 中的双亲委派机制了
优点
- 自己写的类库同名类不会覆盖类库的类

最近更新于0001-01-01