Java虚拟机的类加载机制

综述

我们编写的Java代码如何能在一个操作系统上运行呢？一般来说，我们使用javac命令将.java文件编译成.class文件，也就是Java字节码文件，然后由JVM将字节码文件加载到JVM内存中，在运行时，一方面由解释器将字节码解释为一行行的机器码来执行，另一方面，由即时编译器针对热点代码，将其编译成机器码以获取更高的执行效率，解释器和即时编译器的相互配合使程序几乎能够达到和编译型语言一样的执行速度。其中JVM加载字节码的过程就是类加载。类加载的目的从高处看是为了将字节码文件转换成内存中某种形式的Class数据结构，程序可以通过这种数据结构构造出object，而这个过程是在运行时进行的，这也是Java动态扩展性的根基。从地处看，一个Java类从被加载到内存中开始，到卸载出内存为止，它将经历加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载这七个阶段，其中验证、准备和解析可以统称为连接。而类加载只包括其中加载、连接和初始化这三个阶段。解析阶段是灵活的，可以在初始化阶段之前进行，也可以在初始化之后进行（动态绑定）。

类的生命周期

加载阶段是读取字节码文件，将其转化为某种静态数据结构存储在方法区中，并在堆中生成一个便于用户调用的java.lang.Class类型的对象的过程。

验证阶段是对字节码文件的规范校验，主要包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。其中文件格式的验证是发生在加载阶段的，通过验证才能顺利加载。顺利加载后，方法区才有该类的数据结构，堆中也有该类的Class对象，但并不代表该类可以使用，还需要对该类的静态结构进行验证，包括元数据与字节码验证，主要是对其进行语法和语义分析，保证其不会产生危害虚拟机的行为，符号引用的验证发生在解析阶段。

准备阶段就是对类中定义的静态变量分配内存并初始化，在JDK8以前，hotspot使用永久代实现的方法区，所以类的元数据、常量池、静态变量等数据存放在永久代，而JDK8及以后，hotspot使用元空间实现了方法区，并将常量池和静态变量移到了堆上

解析阶段主要是将符号引用替换为直接引用，那么什么是符号引用，什么又是直接引用呢？我的理解是如果一个类A中引用了类B，但是B还没加载，那么A中对于B的引用在解析阶段之前是不知道B的地址的，所以A中会使用一个符号来代替B的地址，直到A进行到解析阶段，发现需要B的地址，由此触发B的加载，待到B加载完成之后，A中对B的引用符号会被B的真实地址所替换，那么那个替代符号就是指符号引用，后面真实地址则是指直接引用。而对于多态，B则可能是一个抽象类或接口，此时B的实现并不明确，那么其符号引用的替换则需要等到其运行调用时，虚拟机调用栈中会得到具体的类型信息，这时候再进行直接引用的替换，这就是动态解析，而前面就是静态解析。有时候解析发生在初始化阶段之后，这就是动态解析，用来实现后期绑定

初始化阶段是对类中的主动的资源初始化动作，也就是执行对静态变量和成员变量赋用户值以及静态代码块的逻辑

类加载器

在类加载过程中，用户主导的部分就是加载阶段获取二进制字节流部分和初始化阶段，其余部分全由JVM主导，则是符合开闭原则的。JVM规范中定义了两类类加载器：启动类加载器和其他类加载器，hotspot中则定义了四种类型的类加载器：C++实现的启动类加载器和Java实现的、继承自java.lang.ClassLoader的扩展类加载器、应用程序类加载器和用户自定义类加载器。其中启动类加载器无法作为对象被引用，用于加载lib下面的包，扩展类加载器用于加载lib/ext下的包，应用程序类加载器用于加载classpath下的包，用户自定义类加载器可以加载任意用户指定路径下的包

双亲委派模型

为什么要指定这么多类加载器呢？不能只有有一个吗？原则上可以只有一个的，但不太适合扩展，所以采用类似分类别类，对于系统需要的，则专门使用一个，而对于用户扩展的，则使用另一个或用户自己创建，这就解决了扩展性问题，但这又带来了一个新问题，那就是对于同一个限定名的类，不同类加载器会产生不同的类吗？设计者给出的解决方案是不同类加载器加载同一限定名的类会产生不同的类，因为xx，但是如果我想让它是同一个呢？这就要提到双亲委派模型了，双亲委派模型是指对于加载请求，子类会先委派给父类加载，如果父类不能加载，则再委派到子类加载，这里实现的方式是通过组合而非继承。越核心的类库会被越上层的类加载器所加载，而某限定名的类一旦被加载，在被动情况下，就不会再加载相同限定名的类了，这样就有效避免了加载的混乱。关于双亲委派模型的四次破坏：①是

—

类加载机制=类的生命周期+类加载器+双亲委派模型

机制是指系统中各要素相互作用的过程和方式，Java虚拟机的类加载机制是指被编译好的Java字节码（Class文件）在被加载到Java虚拟机内存中开始，到形成可被Java虚拟机直接使用的Java类型为止的整个过程和相关方式，所以要理解类加载机制，就不可避免的要谈到Java类的生命周期与双亲委派模型了。

一个Java类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它将经历加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载这七个阶段，其中验证、准备和解析这三个阶段可以统称为连接。而类加载则包括指加载、连接和初始化这三个阶段。

在代码被编译器编译成字节码之后，由相应的类加载器开始加载字节码，首先会通过类的全限定名获取该类的二进制字节流，然后将这个二进制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，并在内存中生成一个代表该类的java.lang.Class对象，作为该类各种数据的访问入口（加载阶段）。在获取到类的二进制字节流的同时，会进行文件格式、元数据、字节码和符号引用的验证，以确保该二进制字节流所包含的信息符合Java虚拟机的规范要求，保证被当作代码运行后不会危害到虚拟机自身的安全（验证阶段）。验证通过之后，会为类中定义的静态变量分配内存并初始化数值（准备阶段负责分配内存和赋缺省值，初始化阶段负责赋用户值）。同时，将常量池中的符号引用替换成直接引用（解析阶段）。然后用户就可以使用该类了（使用阶段、卸载阶段）。

参考：
《深入理解Java虚拟机（第三版）》