虚拟机类加载机制

前言

    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，并对数据进行校验、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。

    Java中，类型的加载和连接过程都是在程序运行期间完成的，这会在类加载时候增加一些性能开销，但是为Java依赖运行期动态加载和动态连接提供了便利。

类的生命周期

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了：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。

其中，验证、准备和解析三个部分统称为连接。

加载、验证、准备、初始化和卸载这五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地开始

解析阶段不一定，有时候在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定。

类的加载时机

具体加载时机未强制约束，但是必须满足之前提到的开始顺序（一定要在初始化之前）

类的初始化时机

但是对于初始化阶段，虚拟机规范严格规定了有且只有四种情况必须立即对类进行“初始化”：

1. 遇到new(使用new关键字实例化对象)、getstatic、putstatic(读取或设置一个类的静态字段，被final修饰已经在编译器把结果放入常量池的静态字段除外)、invokestatic（调用一个类的静态方法的时候）//对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会初始化，因此通过子类来引用父类中的静态字段，不会触发子类的初始化。
2. 使用java.lang.reflect包的方法进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
4. 虚拟机启动时，用户需要制定一个要执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。

Ps：接口的初始化，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在这正使用到父接口的时候才会初始化。

类的加载过程

1.加载

    加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

•     通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流
• 　 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构  
•     在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为访问方法区数据的外部接口

2.验证

    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，并且不危害虚拟机自身的安全。

　 因为Class文件并非一定由Java源码编译而来，完全可以手写符合Class格式的16进制文件，此时很多Java语言不允许的语法与操作可能就藏在Class文件中，虚拟机如果不检查输入的字节流，很可能会因为载入了有害的字节流而导致系统崩溃。

   大致有四个阶段的校验过程：

• 　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
•    元数据验证：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
•    字节码验证：进行数据流和控制流分析，这里将对类的方法体进行校验分析，保证被校验的类在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为
•    符号引用验证：发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转换动作将在解析阶段发生，可以看做是对类自身以外的信息进行匹配性的校验

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（方法区）。此时进行内存分配的仅包含类变量，而不包含实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配到Java堆中。

public static int value = 123;
public static final int value1 = 123;

第一行的代码，在准备阶段过后value的值是0而不是123，对value的复制动作是putstatic指令被编译后存在构造器<clinit>()方法中，对value赋值的动作将在初始化阶段执行。

第二行代码，在准备阶段就会被赋值为123。

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。所谓符号引用是指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。而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。

    解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号引用进行。

5.初始化

   类的初始化阶段是类加载过程的最后一步，初始化阶段就是执行类构造器<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中的语句合并产生的，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，定义在其之后的变量，在其中可以赋值，但是不能访问。
•    <clinit>()方法与类的构造方法不同，它不需要显示地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的 <clinit>()方法执行之前，父类的 <clinit>()方法已经执行完毕。
•    <clinit>()方法对于类或接口并不是必须的，如果一个类中没有静态语句块也没有对类变量的赋值操作，那么可以没有 <clinit>()方法。
•    接口中的 <clinit>()方法不需要先执行父接口的 <clinit>()方法。接口的实现类同样不用执行接口的<clinit>()方法。
• 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁和同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都会阻塞。

类加载器

对于任何一个类，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。即：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之下才有意义。

这里指的“相等”，包括代表了的Class对象的equals() isAssignableFrom() isInstance()方法的返回结构。

 从开发人员的角度来看，可分为四种类加载器，启动类加载器(这个类加载器用C++实现)、扩展类加载器、应用程序类加载器（一般情况是程序的默认类加载器）、自定义类加载器。

双亲委派模型的工作过程：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这样，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时，子加载器才会尝试自己去加载。

双亲委派模型，可以保证安全性，试想如果用户写了一个名字为java.lang.String的类，并放到程序中，如果没有双亲委派模型，其他一起合作的用户，调用String方法的时候，就会调用用户1自己写的类，这相当于破坏了大多数人共同认知的“规则”（比如String Object List etc）这将会使程序一片混乱。