深入理解Java虚拟机之类加载机制篇

概述

​ 虚拟机把描述类的数据从 Class 文件加载到内存中，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，就是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，这种策略虽然增加了类加载时系统额外的开销，但是能给 Java 应用程序提供高度的灵活性，Java 的动态扩展优势就依赖于运行期动态加载和动态连接来实现的。例如用户可以在编写一个面向接口的应用程序时，可以等到运行时再指定具体的实现类，还可以通过 Java 预定义的和自定义类加载器，让一个本地的应用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。

类加载的生命周期

​ 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：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resoulution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析这三个部分统称为连接（Linking），这7个阶段的发生顺序如下所示：

​ 图中，虽然加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，但是类的加载过程并不是一定会按照这些顺序执行的，这些阶段都是互相交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段；解析阶段在某些情况下可以在初始化阶段进行时，再进行解析，为了能够满足 Java 语言的运行时绑定（动态绑定）

​ Java 虚拟机规范并没有强制确定类加载过程的第一个阶段是加载，这主要取决于虚拟机的具体实现。但对于初始化阶段，虚拟机规范明确规定了面临这以下 5 种情况时，必须对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

1. 当遇到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。这 4 条字节码指令的应用场景主要有：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时。
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类。
5. 当使用 JDK1.7 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 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

对于这 5 种能触发初始化的特殊场景，这些场景的行为统称为对一个类进行主动引用，除此之外，所有引用类的方法都不会触发初始化，称为被动引用。并且，对于上述第3点：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，并不强制要求其全部父接口都完成了初始化，只有等到真正使用到具体的父接口的时候（如引用接口中定义的静态常量等）才会进行触发对应的父接口初始化。

类加载器

概述

​ 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定义此类的二进制字节流”这个动作方法放到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就被称为“类加载器”。

​ 类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远远不止于类加载阶段。对于任意一个类，都需要由加载它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，每一个类加载器都拥有一个独立的类名称空间。或者说，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。否则的话，即使这两个类来源于同一个 Class 文件，被同一个虚拟机加载，但只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。这里说的“相等”，包括代表类的 Class 对象的 equals() 方法、isAssignableFrom() 方法、isInstance() 方法的返回结果，也包括使用 instanceof 关键字做对象所属关系判定等情况。

双亲委派模型

​ 从 Java 虚拟机角度来说，类加载器主要分两种：一种为启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），是使用C++语言进行编写的，属于虚拟机中的一部分；另一种就是所有其他类加载器，这些类加载器都由 Java 语言实现，是独立于虚拟机外部的，都继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。接下来讲讲，Java 中用的最多的三种类加载器。

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这个类加载器负责将存放在 <JAVA_HOME>\lib 目录中的，或者被 -Xbootclasspath 参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如 re.jar ，名字不符合的类库即使放在 lib 目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被 Java 程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，那直接使用null即可。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现，它负责加载 <JAVA_HOME>\lib\ext 目录中的或被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
• 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现。由于这个类加载器是 ClassLoader 中的 getSystemClassLoader() 方法的返回值，所以也称为系统类加载器。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般就会指定该类加载器为程序中默认的类加载器。

除了这3个类加载器之外，我们还可以自定义自己的类加载器。类加载器之间的关系如下图：

​ 以上展示的类加载器之间的这种层次关系，称为类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation Model）。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应有本身的父级类加载器。这里的类加载器之间的父子关系一般不会以继承（Inheritance）的关系来实现，而是都使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。

​ 双亲委派模型的工作流程是：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，而是将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加载。

​ 使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，Java 类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层级关系。例如类 Java.lang.Object，它存放在 rt.jar 之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是要委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此 Object 类在程序的各种类加载器环境中都属于同一个类。如果没有采用双亲委派模型，让各个类加载器自行去加载的话，假设用户自定义了一个 java.lang.Object 的类，并同时放在程序的 ClassPath 中，那么系统将存在多个不同实现的Object类，应用程序就会变得一片混乱。

​ 从上图中我们也可以看到，存在着两个自定义类加载器；实现自定义类加载器的步骤：继承 ClassLoader，重写 findClass() 方法，调用 defineClass() 方法。

自定义类加载器的应用场景：

1. 隔离加载类。在某些框架内进行中间件与应用的模块分离，把类加载到不同的环境。
2. 修改类加载方式。类的加载模型并非强制，除Bootstrap外，其他的加载并非一定要引入，或者根据实际情况在某个时间点进行按需进行动态加载。
3. 扩展加载源。比如从数据库、网络中进行加载。
4. 防止源码泄露。Java 代码容易被编译和篡改，可以进行编译加密。

​ 双亲委派模型在 Java 程序中发挥着很大的作用，并且实现起来相对简单，双亲委派的实现代码都编写在 java.lang.ClassLoader 的 loadClass() 方法里面。实现逻辑是：首先会先去检查类是否被加载过，倘若没有加载就会调用父加载器的 loadClass() 方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载器加载失败，就会抛出 ClassNotFoundException 异常，最后就会调用自己的 findClass() 方法进行加载。下面看下 loadClass() 源码方法的简要实现：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 首先，检查类是否已经加载
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
            	// 类没有加载就会调用父加载器的loadClass()方法
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                	//	若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // 如果父加载器抛出 ClassNotFoundException
                // 说明父类加载器无法完成加载请求
            }
            if (c == null) {
                // 在父类加载器无法加载的时候
                // 再调用本身的findClass方法来进行
                long t1 = System.nanoTime();
                c = findClass(name);
                // 这是自定义类加载器；主要是记录统计数据
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}