JVM - 类加载

概述

Java虚拟机（JVM）不与包括Java语言在内的任何程序语言绑定，只与“Class文件”（字节码）这种特定的二进制文件格式关联。而Java虚拟机可以运行在各种不同硬件平台和操作系统上，这也是说Java语言跨平台的原因。虚拟机与程序语言的关系如下图：
各种语言与虚拟机关系

Class文件结构定义

ClassFile {
    u4             magic; //魔数，代表这是一个可以被虚拟机接收的Class文件，而不是靠文件扩展名确定：0xCAFEBABE
    u2             minor_version;//次版本号
    u2             major_version;//主版本号；高版本JDK可以向下兼容以前版本的class文件，大于虚拟机版本号的class文件（高版本编译器生成的class文件）将执行不了
    u2             constant_pool_count;//常量池的数量
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池，常量池里面放的是字面量和符号引用，字面量就是一些如文本字符串，声明为final的常量值等，符号引用主要包括package,类和接口名，字段名，方法类型等等
    u2             access_flags;//Class 的访问标记
    u2             this_class;//当前类
    u2             super_class;//父类
    u2             interfaces_count;//接口
    u2             interfaces[interfaces_count];//一个类可以实现多个接口
    u2             fields_count;//Class 文件的字段属性
    field_info     fields[fields_count];//一个类可以有多个字段
    u2             methods_count;//Class 文件的方法数量
    method_info    methods[methods_count];//一个类可以有个多个方法
    u2             attributes_count;//此类的属性表中的属性数
    attribute_info attributes[attributes_count];//属性表集合
}

//字段表，方法表结构：
field_info/method_info{
    u2             access_flags;//作用域，如private
    u2             name_index;//常量池引用，表示字段/方法名
    u2             descriptor_index;//常量池引用，字段和方法描述
    u2             attributes_count;//字段/方法的额外属性
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

类加载

类的生命周期

加载

在加载阶段，虚拟机要完成三件事：

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流（有多种方式，例如从zip包读取，如jar,war，jsp文件生成，运行时计算生成等）
将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区运行时数据结构
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种数据的访问入口

验证

文件格式验证，例如魔数验证，版本号大小验证等等
元数据验证
- 是否有父类，是否继承了不允许继承的类如final类等等
- 不是抽象类，是否实现了父类中要求实现的方法
- 是否与父类矛盾
  ...
字节码验证，通过数据流，控制流分析，确定程序语义合法。
符号引用验证，如符号引用通过全限定名能否找到对应类等等

准备

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。

注意此时的变量初始值是数据变量类型的“零值”，例如：

public static int value = 123;

此时value的值为0，因为目前还没有执行任何java方法（赋值为123是执行类构造器<clinit>()方法做的），但是如果是被final修饰，在准备阶段就会被赋值为ConstantValue属性指定的初始值。

解析

Java虚拟机将常量池内的符号引用，替换为直接引用（指针，相对偏移量等）的过程。

初始化

执行类构造器<clinit>()方法。<clinit>()方法是Javac编译器的自动生成物和实例构造器<init>()不同。

初始化顺序是由源文件初始化顺序决定
Java虚拟机保证父类的<clinit>()会比子类的<clinit>()先执行
如果一个类没有静态语句块或者变量的赋值，编译器可以不为该类生成<clinit>()方法
线程安全的，只有一个线程能执行这个类的<clinit>()方法

卸载

卸载类，即该类Class对象能成功被GC
卸载类需要满足三个要求：

该类的所有实例对象都被GC
该类没有在任何地方被引用，即其Class对象不可达
该类的类加载器的实例不可达，即该类的ClassLoader不可达

类加载器

比较两个类是否相等

任何一个类，都是由该类本身和它的类加载器一起确立其在JVM中的唯一性。比较两个类是否相等(equals(), isInstance(),isAssignableFrom())，只有他们在同一类加载器下加载的前提才有意义，否则必然不相等。

Java的类加载器

启动类加载器 Bootstrap ClassLoader
使用C++开发，加载<JAVA_HOME>/lib目录中的jar 和 -Xbootclasspath参数指定的类
扩展类加载器 Extension ClassLoader
加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录的jar 和使用-Djava.ext.dir指定的类
应用程序加载器 App ClassLoader
加载用户类路径下的类
用户自定义加载器 User/Custom ClassLoader

类加载器

双亲委派模型 Parent Delegation Model

双亲委派模型是类加载的过程，总结两句话就是自底向上检查类是否被加载，自顶向下尝试加载类。如下图：

源码：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name); // You will probably want to override this method when you instantiate a class loader subclass in your application -- oracle

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }