JVM 类加载机制

一、为什么要使用类加载器？

Java语言里，类加载都是在程序运行期间完成的，这种策略虽然会令类加载时稍微增加一些性能开销，但是会给java应用程序提供高度的灵活性。例如：

1.编写一个面向接口的应用程序，可能等到运行时再指定其实现的子类；

2.用户可以自定义一个类加载器，让程序在运行时从网络或其他地方加载一个二进制流作为程序代码的一部分；(这个是Android插件化，动态安装更新apk的基础)

 

二、类的加载过程

 

 

其中类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中，加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的，而解析阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

 

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError错误）如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误

 

 

加载Loading

• 通过一个类的全限名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个数据的访问入口。

 

Class对象是存放在堆区的，不是方法区。类的元数据才是存在方法区的。【元数据并不是类的Class对象。Class对象是加载的最终产品，类的方法代码，变量名，方法名，访问权限，返回值等等都是在方法区的】

相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段（准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

 

连接Linking

1.验证：

确保Class文件的字节流中包含信息符号当前虚拟机要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身安全。
主要包括4种验证：

• 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；
  
• 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比Javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了 java.lang.Object之外；
  
• 字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的；
  
• 符号引用验证：确保解析动作能正确执行。
  

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。

2.准备：

给类变量默认赋值，即为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值。

• 这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配，准备阶段会显示初始化；
• 这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。

假设一个类变量的定义为：public static int value = 3；那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为3的putstatic指令是在程序编译后，存放于类构造器<clinit>（）方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。   

3.解析：

 将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程；

• 事实上，解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后再执行；
• 解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。对应常量池中的CONSTANT_Class_info、Constant_Fieldref_info、Constant_Methodref_info等。

 

初始化Initial：

给类变量显示赋值，即静态代码块赋值

• 初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()的过程 
• 此方法不需要定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来。。
• 构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行
• <clinit>()不同于类的构造器。（关联：构造器是虚拟机视角下的<init>()）
• 若该类具有父类，JVM会保证子类的<clinit>()执行前，父类的<clinit>()已经执行完毕
• 虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁

 

如下图所示，java将.class文件加载至虚拟机的过程

ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine来决定

加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中还会存放运行时常量池信息，可能还包括字符串字面量和数字常量（这部分常量 信息是Class文件中常量池部分的内存映射）