Java类加载机制

简介

在Java的世界里，每一个类或者接口，在经历编译器后，都会生成一个个.class文件。

类加载机制指的是将这些.class文件中的二进制数据读入到内存中，并对数据进行校验，解析和初始化。最终，每一个类都会在方法区保存一份它的元数据，在堆中创建一个与之对应的Class对象。

类的生命周期，经历7个阶段，分别是加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。

除了使用和卸载两个过程，前面的5个阶段 加载、验证、准备、解析、初始化 的执行过程，就是类的加载过程。

类加载的时机

大多数人在问 “类什么时候加载” 和 “类什么时候初始化” ，从语境上来说，都是在问同一个问题，就是这个.class文件什么时候被读取到虚拟机的内存中，并且达到可用的状态。

但严格意义上来说，加载和初始化，是类生命周期的两个阶段。

对于什么时候加载，Java虚拟机规范中并没有约束，各个虚拟机都可以按自身需要来自由实现。但绝大多数情况下，都遵循“什么时候初始化”来进行加载。

什么时候初始化？Java虚拟机规范有明确规定，当符合以下条件时（包括但不限于），虚拟机内存中没有找到对应类型信息，则必须对类进行“初始化”操作：

• 使用new实例化对象时、读取或者设置一个类的静态字段或方法时
• 反射调用时，例如 Class.forName("com.xxx.MyTest")
• 初始化一个类的子类，会首先初始化子类的父类
• Java虚拟机启动时标明的启动类
• JDK8 之后，接口中存在default方法，这个接口的实现类初始化时，接口会其之前进行初始化

初始化阶段开始之前，自然还是要先经历 加载、验证、准备 、解析的。

类的加载过程

从简介中，我们知道，类的加载过程分 5 个阶段，其中 验证、准备、解析 可以归纳为 “连接” 阶段。

需要注意的是，这5个阶段，并不是严格意义上的按顺序完成，在类加载的过程中，这些阶段会互相混合，交叉运行，最终完成类的加载和初始化。

例如在加载阶段，需要使用验证的能力去校验字节码正确性。在解析阶段，也要使用验证的能力去校验符号引用的正确性。或者加载阶段生成Class对象的时候，需要解析阶段符号引用转直接引用的能力等等......

接下来，我们详细分解一下，这5个阶段，都做了什么事情。

加载

加载是类加载过程的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

1. 通过一个类的全限定名去找到其对应的.class文件
2. 将这个.class文件内的二进制数据读取出来，转化成方法区的运行时数据结构
3. 在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口

Java虚拟机并没有规定类的字节流必从.class文件中加载，在加载阶段，程序员可以通过自定义的类加载器，自行定义读取的地方，例如通过网络、数据库等。

验证

Class文件中的内容是字节码，这些内容可以由任何途径产出，验证阶段的目的是保证文件内容里的字节流符合Java虚拟机规范，且这些内容信息运行后不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段会完成以下校验：

文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范。例如：是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型 ...... 等等

元数据验证：对字节码描述的元数据信息进行语义分析，要符合Java语言规范。例如：是否继承了不允许被继承的类（例如final修饰过的）、类中的字段、方法是否和父类产生矛盾 ...... 等等

字节码验证：对类的方法体进行校验分析，确保这些方法在运行时是合法的、符合逻辑的。

符号引用验证：发生在解析阶段，符号引用转为直接引用的时候，例如：确保符号引用的全限定名能找到对应的类、符号引用中的类、字段、方法允许被当前类所访问 ...... 等等

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

验证阶段不是必须的，虽然这个阶段非常重要。Java虚拟机允许程序员主动取消这个阶段，用来缩短类加载的时间，可以根据自身需求，使用 -Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施。

 

验证

Class文件中的内容是字节码，这些内容可以由任何途径产出，验证阶段的目的是保证文件内容里的字节流符合Java虚拟机规范，且这些内容信息运行后不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段会完成以下校验：

文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范。例如：是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型 ...... 等等

元数据验证：对字节码描述的元数据信息进行语义分析，要符合Java语言规范。例如：是否继承了不允许被继承的类（例如final修饰过的）、类中的字段、方法是否和父类产生矛盾 ...... 等等

字节码验证：对类的方法体进行校验分析，确保这些方法在运行时是合法的、符合逻辑的。

符号引用验证：发生在解析阶段，符号引用转为直接引用的时候，例如：确保符号引用的全限定名能找到对应的类、符号引用中的类、字段、方法允许被当前类所访问 ...... 等等

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

验证阶段不是必须的，虽然这个阶段非常重要。Java虚拟机允许程序员主动取消这个阶段，用来缩短类加载的时间，可以根据自身需求，使用 -Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施。

准备

这个阶段，类的静态字段信息（即使用 static 修饰过的变量）会得到内存分配，并且设置为初始值。

对于该阶段有以下几个知识点需要注意：

1、内存分配仅包括 static 修饰过的变量，而不包括实例变量，实例变量得等到对象实例化时分配内存。

2、初始值指的是变量数据类型的默认值，而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。但是，当字段信息被 final 修饰成常量（ConstantValue）时，这个初始值就是Java代码中显式地赋予的值。

例如：public static int value = 3
类变量 value 在准备阶段设置的初始值 是 0，不是 3。把value赋值为3的 putstatic 指令是在程序编译后，存放于类构造器 <clinit>() 方法中的，所以把 value 赋值为 3 的动作将在初始化阶段才会执行。
当使用 final 修饰后：public static  final int value = 3
类变量 value 在准备阶段设置的初始值 是 3，不是 0。

3、在JDK8取消永久代后，方法区变成了一个逻辑上的区域，这些类变量的内存实际上是分配在Java堆中的。

解析

这个阶段，虚拟机会把这个Class文件中，常量池内的符号引用转换为直接引用。主要解析的是 类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄等符号引用。我们可以把解析阶段中，符号引用转换为直接引用的过程，理解为当前加载的这个类，和它所引用的类，正式进行“连接“的过程。

什么是符号引用？
Java代码在编译期间，是不知道最终引用的类型，具体指向内存中哪个位置的，这时候会用一个符号引用，来表示具体引用的目标是"谁"。Java虚拟机规范中明确定义了符号引用的形式，符合这个规范的前提下，符号引用可以是任意值，只要能通过这个值能定位到目标。

什么是直接引用？
直接引用就是可以直接或间接指向目标内存位置的指针或句柄。

引用的类型，还未加载初始化怎么办？
当出现这种情况，会触发这个引用对应类型的加载和初始化。

初始化

这是类加载的最后一个步骤啦，初始化的过程，就是执行类构造器 <clinit>()方法的过程。

当初始化完成之后，类中static修饰的变量会赋予程序员实际定义的“值”，同时类中如果存在static代码块，也会执行这个静态代码块里面的代码。

<clinit>() 方法的作用是什么？

还记得么？在准备阶段，已经对类中static修饰的变量赋予了初始值。<clinit>() 方法的作用，就是给这些变量赋予程序员实际定义的“值”。同时类中如果存在static代码块，也会执行这个静态代码块里面的代码。

<clinit>() 方法是什么？

<clinit>() 方法 和 <init> 方法是不同的，它们一个是“类构造器”，一个是实例构造器。
Java虚拟机会保证子类<clinit>() 方法在执行前，父类的 <clinit>() 已经执行完毕。而 <init> 方法则需要显性的调用父类的构造器。
<clinit>() 方法由编译器自动生成，但不是必须生成的，只有这个类存在static修饰的变量，或者类中存在静态代码块但时候，才会自动生成<clinit>()方法

加载过程总结

当一个符合Java虚拟机规范的字节流文件，经历 加载、验证、准备、解析、初始化这些阶段相互协作执行完成之后，加载阶段读取到的Class字节流信息，会按虚拟机规定的格式，在方法区保存一份，然后Java 堆中，会创建一个 java.lang.Class 类的对象，这个对象描述了这个类所有信息，也提供了这个类在方法区的访问入口。

方法区中，使用同一加载器的情况下，每个类只会有一份Class字节流信息
Java堆中，使用同一加载器的情况下，每个类只会有一份 java.lang.Class 类的对象

类加载器

还记得在加载阶段，通过类的全限定名，获取该类字节流数据的这个动作么，类加载器就是用来实现这个动作的。

当年为了满足浏览器上 Java Applet 的需求，Java的开发团队设计了类加载器，它独立于Java虚拟机外部，允许程序员按自身需要自行实现类加载器。这是一项非常优秀的创新，它让同一个类可以实现访问隔离、OSGi、程序热部署等等。发展至今，类加载器已经是Java技术体系的一块重要基石。

三层类加载器介绍

启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：负责加载<JAVA_HOME>\lib 目录，或者被 -Xbootclasspath 参数制定的路径，例如 jre/lib/rt.jar 里所有的class文件。由C++实现，不是ClassLoader子类。

拓展类加载器（Extension Class Loader）：负责加载Java平台中扩展功能的一些jar包，包括<JAVA_HOME>\lib\ext 目录中 或 java.ext.dirs 指定目录下的jar包。由Java代码实现。

应用程序类加载器（Application Class Loader）：我们自己开发的应用程序，就是由它进行加载的，负责加载ClassPath路径下所有jar包。

双亲委派模型

高端的食材往往只需要最简单的烹饪方式，而保证Java程序稳定运行的双亲委派模式，其实也非常简单：

双亲委派模式其实一句话就可以说清楚：任何一个类加载器在接到一个类的加载请求时，都会先让其父类进行加载，只有父类无法加载（或者没有父类）的情况下，才尝试自己加载。

 

ClassLoader 类中有示例，如下：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
{// 首先要保证线程安全synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// 先判断这个类是否被加载过Class<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {try {// 有父类，优先交给父类尝试加载if (parent != null) {c = parent.loadClass(name, false);} else {c = findBootstrapClassOrNull(name);}} catch (ClassNotFoundException e) {// 父类加载失败，这里捕获异常，但不需要做任何处理}if (c == null) {// 没有父类，或者父类无法加载，尝试自己加载c = findClass(name);}}if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}
}

 

双亲委派模型好处是什么？

在解答这个问题前，需要先了解一个知识点：不同的类加载器，加载同一个类，结果是虚拟机里会存在两份这个类的信息，所以当判断这两个类是否“相等”时，必定是不相等的。

使用双亲委派模式，可以保证，每一个类只会有一个类加载器。例如Java最基础的Object类，它存放在 rt.jar 之中，这是 Bootstrap 的职责范围，当向上委派到 Bootstrap 时就会被加载。

但如果没有使用双亲委派模式，可以任由自定义加载器进行加载的话，Java这些核心类的API就会被随意篡改。