类加载机制

类加载机制🏠

Java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，这个过程被称作虚拟机的类加载机制

在Java语言里面，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的

1.类加载的时机🏡

一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历

1. 加载（Loading）、
2. 验证（Verification）
3. 准备（Preparation）
4. 解析（Resolution）
5. 初始化（Initialization）
6. 使用（Using）
7. 卸载（Unloading）

1、2、3步统称为连接

主动引用

《Java虚拟机规范》 则是严格规定了有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

①遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型Java代码场景有：

• 使用new关键字实例化对象的时候
• 读取或设置一个类型的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候
• 调用一个类型的静态方法的时候

②使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化

③当初始化类的时候，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当虚拟机启动时，用户需要指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

⑤当使用JDK 7新加入的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化

⑥当一个接口中定义了JDK 8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化

被动引用

除上面6种情况之外，所有引用类型的方式都不会触发初始化，称为被动引用

接口的加载过程

接口也有初始化过程，这点与类是一致的，上面的代码都是用静态语句块“static{}”来输出初始化信息的，而接口中不使用用“static{}”语句块，但编译器仍然会为接口生成“()”类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类真正有所区别的是前面讲述的六种“有且仅有”需要触发初始化场景中的第三种： 当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始 化

2.类加载过程🏫

即加载、验证、准备、解析和初始化

2.1 加载

①主要工作

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。

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

注意数组类的不同

1）如果数组的组件类型（Component Type，指的是数组去掉一个维度的类型，注意和前面的元素类型区分开来）是引用类型，那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组C将被标 识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上（这点很重要，在7.4节会介绍，一个类型必须与类加 载器一起确定唯一性）。

2）如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组的组件类型为int），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联。

3）数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致，如果组件类型不是引用类型，它的数组类的可访问性将默认为public，可被所有的类和接口访问到。

加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义

类型数据妥善安置在方法区之后，会在Java堆内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口

2.2 验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全

验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作：

文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证

1.文件格式验证

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

验证点：如是否以魔数0xCAFEBABE开头，主、次版本号是否在当前Java虚拟机接受范围之内.......

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

验证点如：这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）....

3.字节码验证

第三阶段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分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的，这阶段就要对类的方法体（Class文件中的Code属性）进行校验分析，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行为，例如

--保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现类似于“在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中”这样的情况

--保证任何跳转指令都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行为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。验证内容

--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

--在指定类中是否存在符合方法的字段描述符及简单名称所描述的方法和字段

--符号引用中的类、字段、方法的可访问性（private、protected、public、）是否可被当前类访问

符号引用验证的主要目的是确保解析行为能正常执行，如果无法通过符号引用验证，Java虚拟机将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError的子类异常

2.3 准备

准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段，这时候进行内存分配的仅包括类变量，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

2.4 解析

解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，符号引用在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、 CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现

·符号引用（Symbolic References）：符号引用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，引用的目标并不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。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（Direct References）：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能

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直接相关的，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虚拟机

的内存中存在。

1.类或接口的解析

2.字段解析

3.方法解析

4.接口方法解析

2.5 初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。

初始化阶段就是执行类构造器()方法的过程。

()方法

·()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在源文件中出现的顺序决定的，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

·()方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的

赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成()方法。

·Java虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有其中一个线程去执行这个类的()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行完毕()方法

3.类加载器🏢

它是什么

①它是用来实现一个动作的代码

这个动作是类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流”，这个动作放到Java虚拟机外部去实现的

对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间 = ：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

1.双亲委派模型🏤

①启动类加载器（Bootstrap Class Loader）

它负责加载存放在<JAVA_HOME>\lib目录，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的，而且是Java虚拟机能够 识别的（按照文件名识别，如rt.jar、tools.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机的内存中。

②扩展类加载器（Extension Class Loader）

它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。

③应用程序类加载器（Application Class Loader）

它负责加载用户类路径（ClassPath）上所有的类库，开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器

④类的双亲委派模型（Parents Delegation Model）

好处是：是Java中的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

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最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完成加载