Java虚拟机(三)——类加载机制

时间：2022-04-06 09:37:21

介绍

  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Java虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。

 类从被加载到虚拟内存中开始，到卸载内存为止，它的整个生命周期包括了：加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)七个阶段。其中，验证，准备和解析三个部分统称为连接(Linking)。

类加载的过程

类加载的全过程，加载，验证，准备，解析和初始化这五个阶段。
1. 加载

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进制字节流
2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转换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

2. 验证

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。不同的虚拟机对类验证的实现可能有所不同，但大致上都会完成下面四个阶段的检验过程：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

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。

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。

字节码验证

第三阶段时整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要工作是数据流和控制流的分析。在第二阶段对元数据信息中的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。

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直接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－解析阶段产生。符号引用验证可以看作是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性的校验。

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进行分配。

4.解析

解析阶段是虚拟机将常量池的符号引用转换为直接引用的过程。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。

  1. 类或接口的解析
  2. 字段解析
  3. 类方法解析
  4. 接口方法解析

5.初始化

  前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由Java虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码）。在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则是根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者说初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。

类加载器

类加载器分类

  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，以便让程序自己决定如何去获取所需的类。实现这个动作的代码模块被称为”类加载器”。

  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++语言实现，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。从Java开发人员的角度来看，类加载器还可以分得更细致一些，绝大部分Java程序都会使用到以下三种系统提供的类加载器：

1. 启动类加载器

  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rt.jar,名字不符合的类库即使放在lib中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。

2. 扩展类加载器

  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，或者被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。

3. 应用程序类加载器
  应用程序类加载器(Application ClassLoader):这个类加载器由sun.misc.Launcher$App-ClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。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，一般情况下这个就是程序中默认类加载器。

双亲委派模型

  我们应用程序都是由以上三种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自己定义的类加载器。下图展示了类加载之间的这种层次关系，称为类加载器的双亲委派模型，需要注意的是，这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现，而是都使用组合关系来复用父加载器的。

Java虚拟机(三)——类加载机制

双亲委托模型的工作过程是：

  如果一个类加载器收到了类加载器的请求，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），子加载器才会尝试自己去加载。

  使用双亲委托模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是Java 类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级关系的层次关系。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是同一个类。

  假设没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个称为java.lang.Object类，并放在程序的ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java 类型体系中最基础的行为也就无法得到保证，应用程序也就会变得混乱。

  双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作很重要，但它的实现却非常简单，实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中。以下是loadClass方法的具体实现。

/**
* 使用指定的二进制名称来加载类。此方法的默认实现将按以下顺序搜索类： 
* 调用 findLoadedClass(String) 来检查是否已经加载类。
* 在父类加载器上调用 loadClass 方法。如果父类加载器为 null，则使用虚拟机的内置类加载器。 
* 调用 findClass(String) 方法查找类。
如果使用上述步骤找到类，并且 resolve 标志为真，则此方法将在得到的 Class 对象上调用 resolveClass(Class) 方法。 
鼓励用 ClassLoader 的子类重写 findClass(String)，而不是使用此方法。
*
*/
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
    {
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
//检查指定类是否已经被加载
            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) {

//如果父类加载器抛出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()方法来进行类加载
long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);

// 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;
        }
    }

上述代码的逻辑清晰易懂：先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父加载器的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。如果父类加载失败，抛出异常，再调用自己的findClass()方法进行加载。
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