JVM类加载机制

前言

　　时至今日，商业机构和开源机构已经在Java语言之外发展出一大批在Java虚拟机之上运行的语言，如Groovy、JRuby、Scala等。
Java虚拟机不和包括Java在内的任何语言绑定，它只与“Class文件”这种特定的二进制文件格式所关联，Class文件中包含了Java虚拟机指令集和符号表以及若干其他辅助信息。
使用Java编译器可以把Java代码编译为存储字节码的Class文件。
虚拟机并不关心Class的来源的何种语言。

一、class文件结构

　　任何一个Class文件都对应着唯一一个类或接口的定义信息，但反过来说，类或接口并不一定都得定义在文件里（譬如类或接口也可以通过类加载器直接生成）
　　Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑地排列在Class文件之中
　　Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储数据，这种伪结构中只有两种数据类型：无符号数和表

　　无符号数

　　无符号数属于基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码构成字符串值

　　表　　

　　由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型，所有表都习惯地一“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合机构的数据，整个Class文件本质上就是一张表

　1、头四个字节

　　每个Class文件的头4个字节称为魔数，它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。

　2、紧接着魔数的4个字节

　　存储的是Class文件的版本号，第5和第6个字节是次版本号，第7和第8个字节是主版本号，高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件，但不能运行以后版本的Class文件，即使文件格式并未发生任何变化，虚拟机也必须拒绝执行超过其版本号的Class文件。

　3、紧接着主次版本号之后的是常量池入口

　　常量池可以理解为Class文件之中的资源仓库，它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据类型，也是占用Class文件空间最大的数据项目之一，同时它还是在Class文件中第一个出现的表类型数据项目
　　常量池中主要存放两大类常量：字面量和符号引用
　　字面量比较接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、声明为final的常量值等，

　　而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括了下面三类常量：
　　　　类和接口的全限定名
　　　　字段的名称和描述符
　　　　方法的名称和描述符

　4、访问标志

　　在常量池结束之后，紧接着的两个字节代表访问标志，这个标志用于识别一些类或接口层次的访问信息，包括：这个Class是类还是接口；是否定义为public类型；是否定义为abstract类型；如果是类的话，是否被声明为final等。

　5、类索引、父类索引与接口索引集合

　　类索引和父类索引都是一个u2类型的数据，而接口索引集合是一组u2类型的数据的集合，Class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系。
　　类索引、父类索引和接口索引集合都按顺序排列在访问标志之后.

　6、字段表集合

　　字段表用于描述接口或者类中声明的变量。字段包括类级变量以及实例级变量，但不包括在方法内部声明的局部变量。

　7、方法表集合

　　方法表的结构依次包括了访问标志、名称索引、描述符索引、属性表集合

　8、属性表集合

　　在Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合，以用于描述某些场景专有的信息。

二、虚拟机类加载机制

　　虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据惊醒校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。
　　类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接

　　加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始。

　1、加载　

　　在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：
　　　　1、通过一个类的全限定名（包名.类名）来获取定义此类的二进制字节流
　　　　2、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
　　　　3、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
　　加载阶段与连接阶段的部分内容是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容。

　2、验证　

　　　验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保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，验证阶段是非常重要的，这个阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击，从执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中又占了相当大的一部分。从整体上看，验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检验动作：

　　1、文件格式验证

　　　第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式（魔数、主次版本等）的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理

　　2、元数据验证

　　　第二阶段是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，主要目的是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（这个类是否有父类、如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法）。

　　3、字节码验证

　　第三阶段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。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行检验分析，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（例如保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上）。

　　4、符号引用验证

　　最后一个阶段的校验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。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（符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类、符号引用中的类、字段、方法的访问性是否可被当前类访问）
符号一你用验证的目的是确保解析动作能正常执行。

　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，这些变量锁使用的内存将在方法区中进行分配。注意：这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：public static int value=123;
那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为123的pubstatic指令是程序被编译后，存放类构造器<clinit>()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。

　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，
　　符号引用：
　　符号引用是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。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标不一定已经加载到内存中。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都是一致的，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。直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同，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类符号引用进行

　5、初始化

　　类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码）。
　　在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者可以从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器< clinit>()方法的过程。
< clinit>()方法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语句块（static{}块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句再源文件中出现的顺序所决定的，静态语句块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，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问

public class Test {
static int i=1;
static {
    i=0;
//        System.out.println(i);
}
public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Test.i);//0，顺序不同得到不同结果
}
}

　< clinit>()方法与类的构造函数（或者说实例构造器< init>()方法）不同，它不需要显示地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的< cliit>()方法执行之前，父类的< clinit>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的< clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object

三、类加载器

　　虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

　1、类与类加载器

　　类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。这句话可以表达得更通俗一些；比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载不同不同，那这两个类就必定不相等。

　2、双亲委派模型

　从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器，这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；领一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都是由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader
从Java开发人员的角度来看，类加载器还可以划分得更细致一些，绝大部分Java程序都会使用到一下3种系统提供的类加载器。
启动类加载器、扩展类加载器、应用程序加载器

　我们的应用程序都是由这三种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要还可以加入自己定义的类加载器。

　上图为双亲委派模型，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有自己的父类加载器，这里类加载器之间的福字关系一般不会以继承的关系来实现，而是都使用组合关系来复用父加载器的代码，

　　（1）工作过程

　　　如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，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中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载

　　（2）好处

　　　Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Objcet类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反，会出现不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。

　　（3）实现　　　　

　　　实现代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中
先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父加载器加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载。

　3、破坏双亲委派模型

　本篇博客是我根据《深入理解java虚拟机》周志明版总结的，推荐大家看一下这本书，可以是我们更加理解java虚拟机，更加理解自己开发的程序。