第七章 虚拟机类加载机制
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概述
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，这就是java虚拟机的类加载机制。与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同，在java语言里，类型的加载和连接过程都是在程序运行期间完成的，这样会在类加载时稍微增加一些性能开销，但是却能为java应用程序提供高度的灵活性，java中天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。
7.2 类加载的时机
类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括了：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。其中验证、准备和解析三个部分统称为连接。加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班的开始，解析阶段在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持java语言的运行时绑定。
什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段：加载。虚拟机规范中并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有4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4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令最常见的java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（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，以及调用一个类的静态方法的时候。
2：使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3：当初始化一个类的时候，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。
7.3 类加载的过程
7.3.1 加载
加载阶段是类加载过程的一个阶段，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来获取定义此类的二级制字节流；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java堆中生成一个代表这个类的java.lang.class对象，作为方法区这些数据的访问入口。
相对于类加载过程的其它阶段，加载阶段是开发期可控性最强的阶段，因为加载阶段既可以使用系统提供的类加载器完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员们可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式。加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在java堆中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。加载阶段与连接阶段的部分内容是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，这两个阶段的开始仍然保持着时间固定的先后顺序。
7.3.2 验证
验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。虚拟机如果不检查输入的字节流，对其完全信任的话，很可能会因为载入了有害的字节流而导致系统崩溃，所以验证是虚拟机对自身保护的一种方式。不同的虚拟机对类验证的实现可能会有所不同，但大致上都会完成下面四个阶段的检验结果：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。
文件格式验证：这一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且可以被当前版本的虚拟机处理。这一阶段可能包括下面这些验证点（是否以魔数0xCAFEBABE开头；主次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内；常量池的常量中是否有不被支持的常量类型；指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量；CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据；Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。。。）
该验证的目的是保证输入的字节流能正确的解析并存储于方法区之中，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。这阶段的验证是基于字节流进行的，经过这个阶段的验证之后，字节流才会进入内存的方法区中进行创建，所以后面这三个验证阶段均是基于方法区的存储结构进行的。
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规范的要求。这个阶段包括的验证点有（这个类是否有父类；这个类的父类是否继承了不允许被继承的类；如果这个类不是抽象类，那么这个类是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法；类中的字段、方法是否与父类产生了矛盾；）第二阶段的主要目的是对类对元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。
字节码验证：第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要工作是进行数据流和控制流分析。在第二阶段对元数据信息中对数据类型做完校验后，这阶段将对类的方法体进行校验分析。这阶段的任务是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；保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上；保证方法体中的类型转换是有效的；）
符号引用验证：最后一个阶段的校验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个阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性的校验，通常需要校验一下内容（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、字段和方法的访问性是否可被当前类访问）。
符号引用验证的目的是确保解析动作能正常执行，如果无法通过符号引用验证，将会抛出一个Java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类，如Java.lang.IllegalAccessError、Java.lang.NoSuchFieldError、Java.lang.NoSuchMethodError等。 验证阶段对于虚拟机的类加载机制来说是一个非常重要的、但不一定是必要的阶段。
7.3.3 准备
准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中进行分配。这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），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被分配在Java堆中。
7.3.4 解析
解析阶段是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：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以使任何形式的字面量，只要使用时能无歧义的定义到目标即可。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已经加载到内存中。
直接引用：直接引用可以使直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标到句柄。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的，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，那引用的目标必然已经在内存中存在。
解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号引用进行，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info四种常量类型。
7.4 类加载器
虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块被称为类加载器。
7.4.1 类与类加载器
类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但他在Java程序中起到的作用却 远远不限于类加载阶段。对于任意一个类，都需要由加载他的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性。通俗一些讲，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，否则，即使这两个类是来源于同一个Class文件，只要加载他们的类加载器不同，那么这两个类必然不相等。
7.4.2 双亲委派类型
站在Java虚拟机的角度讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用c++实现，是虚拟机自身的一部分；另外一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader。
