JVM实战与原理

类加载机制

1. 类加载生命周期

1.1 加载

1.2 验证

1.3 准备

1.4 解析

1.5 初始化

2. 类加载器

类加载机制

章节目的：了解虚拟机如何加载Class文件？Class文件的信息进入到虚拟机后会发生什么变化

引言：在了解了Class文件结构后，我们就会想知道Class文件是怎么被虚拟机加载的

下面便是类加载机制的介绍。

1. 类加载生命周期

类的加载生命周期分为七步，加载->验证->准备->解析->初始化->使用->卸载

1.1 加载

加载阶段，虚拟机需完成以下三件事：

1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流，比如java.lang.Object就是一个类的全限定名

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

1.2 验证

验证阶段是为了确保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本身。验证阶段，虚拟机会完成下面4个校验动作

1. 文件格式验证：该阶段主要为了保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，大致包含：

是否以CAFEBABE开头、版本号是否在JVM处理范围内、常量池tag标志是否支持、索引指向异常、编码不符合规范等

2. 元数据验证：该阶段主要为了对类的元数据信息进行语义校验，大致包含：

是否有父类、是否继承了不允许继承的类、非抽象类是否实现所有方法、是否与父类冲突等

3. 字节码验证：该阶段主要为了对类的方法体进行校验分析，保证类方法在运行时不会做出伤害虚拟机安全的事件，大致包含：

操作数栈的数据类型与指令代码序列能配合工作、跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上、类型转换是有效的等

4. 符号引用验证：该阶段主要为了确保解析动作能正常执行，大致包含：

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等

1.3 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，变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。有两点需强调

1. 此时内存分配的仅包括被static修饰的变量，实例变需等对象实例化时随着对象一起分配在堆中

2. 初始值是数据类型的零值，比如static int value = 123;初始值是0而不是123。如果字段属性表中存在ConstantValue属性，那么准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所设置的值，如static final int value = 123;则初始值就是123

1.4 解析

解析阶段是虚拟机将变量池内的符号引用替换为直接引用的过程。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。

分别对应CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MedhodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_InvokeDynamic_info。我们抽几个来讲

1.4.1 类或接口的解析

假设有一个D类，需将符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用，需完成以下3步

1 如果C不是数组，虚拟机会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载类C

2 如果C是数组，并且数组的元素类型为对象，N的描述符会是类似Ljava/lang/Integer形式，会按照1.1加载数组元素类型（java.lang.Integer），接着虚拟机生成一个代表次数组维度和元素的数组对象

3 经过上面两步，C在虚拟机已经此成为一个有效的类或接口，接着进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限，不具备权限则抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

1.4.2 字段解析

要解析字段符号引用，需现对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用解析，如解析异常，则字段符号引用解析也会失败。字段解析分四步

假设字段所属的类或接口用C表示

1 如果C本身就包含简单名称和字段描述符都与目标匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束

2 否则，如果在C中实现了接口，会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束

3 否则，如果C不是java.lang.Object的话，讲会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束

4 否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。如果查找成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如不具备访问权限，则抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

1.4.3 类方法解析

类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，需要先解析出类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用。类方法解析分五步

假设C表示这个类

1 如果在类方法表中发表class_index中索引的C是个接口，就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常

2 在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。

3 否则，在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。

4 否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果存在匹配的方法，说明C是一个抽象类，这时查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

5 否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。

如果查找过程返回了直接引用，会对方法进行权限验证，如不具备访问权限，则抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

1.4.4 接口方法解析

接口方法也需要先解析接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用。接口方法解析分四步

假设C表示这个类

1 如果在类方法表中发表class_index中索引的C是个类而不是接口，就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常

2 在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。

3 否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类为止，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。

4 否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。

因为接口方法默认都是public的，所以不存在访问权限的问题。

1.5 初始化

初始化阶段会根据程序去初始化变量和其他资源，即执行类构造器<clinit>方法的过程，<clinit>方法有以下特点

1. <clinit>方法是由编译器收集类中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

2. <clinit>方法与类的狗喊函数<init>方法不同，不需要显式调用父类构造器，虚拟机会保证在子类<clinit>执行前，父类<clinit>已执行完成

3. 由于父类<clinit>先执行，故父类定义的静态语句块要优先于子类

4. 如果一个类没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不生车给<clinit>方法

5. 接口没有静态语句块，但又类变量赋值，因此接口也会生成<clinit>方法。接口<clinit>方法不需要先执行父接口的<clinit>方法，接口实现类初始化时也不会执行接口的<clinit>方法

6. 虚拟机会保证<clinit>方法在多线程环境被正确地枷锁、同步，如果多个线程同时初始化一个类，指挥有一个线程执行类的<clinit>方法，其他线程都阻塞等待，知道<clinit>方法执行完毕。如果类的<clinit>方法耗时长，则可能导致多个进程阻塞。

2. 类加载器

作用：实现类的加载动作，同时类本身与加载它的类加载器一同确定在Java虚拟机中的唯一性。

比如使用equals方法，instanceof关键字时，必须保证同一个Class文件，被同一个虚拟机，用同样的类加载器加载，两个类才是相等的。

双亲委派模型

如果我们自己新写一个java.lang.Object类放入ClassPath中，此时，虚拟机会使用rt.jar包里的Object作为运行类还是我们新写的Object作为运行类呢?

答案是虚拟机还是使用rt.jar包中的Object类，而我们新写的Object类永远无法被加载运行，这样保证了Java程序的稳定运行。

那么为什么虚拟机会去加载rt.jar包里的Object类呢？答案就是双亲委派模型。

双亲委派模型是什么：

双亲委派模型将类加载器分为四层，除了顶层，其余类加载器都有自己的父类加载器。顶层类加载器由C++实现，其余由Java实现。

启动类加载器：顶层类加载器，负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录或被-Xbootclasspath参数所指定路径下，固定文件名（如rt.jar）的类库加载到虚拟机内存中。

扩展类加载器：第二层类加载器，负责将存放在<JAVA_HOME>\lib\ext目录或被java.ext.dirs系统变量所指定的路径下的类库加载到虚拟机内存中

应用程序类加载器：第三层类加载器，负责将存放在用户类路径(ClassPaht)目录下的类库加载到虚拟机内存中

自定义类加载器：第四层加载器，由用户编写的类加载器

双亲委派模型的工作过程：

如果一个类加载器收到了类加载的请求，它不会自己先去加载这个类，而是把请求委派给父类请求加载器完成，因此所有加载请求最终都会送到顶层的启动类加载器，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时(搜索范围中没有找到所需的类),子加载器才会尝试自己去加载。

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