类加载机制

7452 2017-10-11 2020-06-25

前言：了解完Class文件存储格式的具体细节后，我们看下虚拟机是怎么加载类的。

一、概述

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，这种策略虽然会令类加载时稍微增加一些性能开销，但是会为Java应用程序提供高度的灵活性，Java里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。

虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校检、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java模型，这就是虚拟机的类加载机制。

二、类加载的时机

1、概述

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（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。

其中验证、准备、解析3个部分统称为连接（Linking），这7个阶段的发生顺序如下图

类的生命周期

在上图中，加载、验证、准备、初始化和卸载这个5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地开始，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再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。

补充：这里写的是按部就班地“开始”，而不是按部就班地“进行”或“完成”，强调这点是因为这些阶段通常都是相互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。

2、加载和初始化

什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段：加载？ Java虚拟机规范并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现把握。

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5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）：

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条指令的最常见的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。
使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化。
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。
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），虚拟机会先初始化这个主类。
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为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。

3、被动引用

上面5种场景中的行为称为对一个类的主动引用。除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，这称为被动引用。如下面几个被动引用的例子

第一个

public class SuperClass {
    static {
        System.out.println("SuperClass init");
    }
    public static int value = 123;
}

public class SubClass extends SuperClass {
    static {
        System.out.println("SubClass init");
    }
}

public class STest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);// 结果为SuperClass init 123
    }
}

通过上面代码，可以得知，对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，通过其子类来引用父类中定义的静态变量，只会触父类的初始化而不会触发子类的初始化。

第二个

public class STest {
    public static void main(String[] args) {
//        System.out.println(SubClass.value);
        SubClass[] sca = new SubClass[10];//结果为空，说明数组也不会引发类的初始化
    }
}

第三个

public class ConstClass {
    static {
        System.out.println("ConstClass init");
    }
    public static final String HELLO = "hell0 world";
}

public class CTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstClass.HELLO);//结果为hell0 world
    }
}

上述代码运行之后，也没有输出“ConstClass init”，这是因为虽然在Java源码中引用了ConstClass类的常量HELLO，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值“hello world”存储到了CTest类的常量池中，这两个类在编译成Class之后就不存在任何联系了。

4、接口的初始化

接口的加载过程与类加载过程稍有一些不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口也有初始化过程，这点与类是一致的。接口与类真正有所区别的是前面讲述的5种“有且仅有”需要开始初始化场景中的第3种：当一个类在初始化时，要求其父类全部初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

三、类加载的过程

1、加载

“加载”是“类加载（Class Loading）”过程的一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：

通过一个类的全限定名来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种数据的访问入口。

加载阶段与连接阶段的部分内容（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的。加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始了，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，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

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。

从整体上看，验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检查动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。其中

1）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，并且能被当前版本的虚拟机处理。可能包括下面这些验证点：

是否已魔数0xCAFEBABE开头。
主、次版本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（检查常量tag标志）。
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。
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
….

这一阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面的的3个验证阶段都是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。

2）元数据验证是对字节码描述信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求，这个阶段可能包括的验证点如下：

这个类是否有父类（除java.lang.Object之外，所有类都应当有父类）。
这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）。
如果这个类不是抽象类，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矛盾（例如覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的方法重载，例如方法参数一致，但返回值类型却不同等）。
….

第二阶段的主要目的是对类的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。

3）字节码验证是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是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。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，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事件，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，例如不会出现类似这样的情况：在操作数栈放置了一个int数据，使用时却按long类型来加载进入本地变量表中。
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。例如类型不能向下转等。

4）符号引用验证这一阶段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阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看作是对类自身以外（常量池的各种符号引用）的信息进行匹配性校检，通常需要校验下列内容：

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以及简单名称所描述的方法和字段。
符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可以被当前类访问。

5）对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要（因为对程序运行期间没有影响）的阶段。如果所运行的全部代码都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段即可以考虑使用-Xverify:none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。

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，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先，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对象一起分配在Java堆中。其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。

与“通常情况”相比，相对特殊的，如果一个字段被final、static修饰，那么准备阶段变量值将被初始化为所指定的值。

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，在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现。这里先区分两个概念：

符号引用（Symbolic References）：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。
直接引用（Direct References）：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和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，那引用的目标必定已经在内存中存在。

解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行，分别对应常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info7种常量类型。下面讲解前面4种引用的解析过程（剩下3种将在介绍动态语言调用时一起分析讲解）：

1）类或接口的解析 假设当前代码所处的类为D，如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用，那虚拟机完成整个解析过程需要以下3个步骤：

如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递个D的类加载器去加载C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作。例如加载这个类的父类或实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就宣告失败。
如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类似“[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成代表此数组维度和元素的数组对象。
如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为了一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常

2）字段的解析 要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内class_index项中的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。如果在解析这个类或接口符号引用的过程中出现了任何异常，都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功，那将这个字段所属的类或接口用C表示，虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索：

如果C本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
否则，如果在C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，如果接口中包含了简单名称和字段描述符斗都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从从下往上递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段直接引用，查找结束。
否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

如果查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

3）类方法的解析 类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也要先解析出来类方法的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，我们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的类方法搜索：

类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class_index中索引C是个接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常
如果通过了第1步，在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，这时查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMehtodError异常。

最后，如果查找过程成功返回了直接引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不具备此方法的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

4）接口方法的解析 接口方法也需要先解析出接口方法表的class_index项中的索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，依然用C表示这个接口，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索：

与类方法解析不同，如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口，那就直接抛出java.langIncompatibleClassChangeError异常
否则，在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
否则，在接口C的父接口中递归查找，知道java.lang.Object类（查找范围会包括Object类）为止，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个放法的直接引用，查找结束。
否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMehtodError异常

由于接口中的所有方法默认都是public的，所以不存在访问权限的问题，因此接口方法的符号解析不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

5、初始化*

1.<clinit>()方法

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户可以通过自定义类加载器参与外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。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，则根据程序员通过程序定制的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。我们先看一下<clinit>()方法.

<clinit>()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的（init方法规则同），静态语句块中只能访问到定义静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问，如下面代码：

static {
    i = 0;
//  System.out.println(i);非法向前引用
}
static int i = 1;

<clinit>()方法与类的构造函数（或者说实例构造器<init>()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit >()方法执行之前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。
由于父类的<clinit>()先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块优先于子类的变量赋值操作，如下代码中，字段B的值将会是2而不是1。

static class Parent {
    public static int A = 1;
    static {
        A = 2;
    }
}
static class Sub extends Parent {
    public static int B = A;
}
public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Sub.B);// 2
}

<clinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法。
接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成<clinit>()方法。但接口与类不同的是，执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>()方法。
虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只有一个线程会去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行< clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，就有可能造成多个进程阻塞。

2.<init>()方法

再执行完<clinit>方法后，大部分情况下会紧接执行<init>方法，但不一定（两者没有必然联系）。初始化顺序遵循：变量初始化、语句块、构造方法。一个类可以没有<init>方法，但一定有<clinit>方法。

严格来讲，init方法并不属于初始化阶段，而是属于使用阶段，因为已经执行了实例字段的初始化、构造代码块、构造方法。

如下是一个例子

public class JavaTest {
    
    public static void main(String[] args){
        f1();
    }
 
    static JavaTest javaTest = new JavaTest();
 
    static {
        System.out.print("1 ");
    }
 
    {
        System.out.print("2 ");
    }
 
    JavaTest(){
        System.out.print("3 ");
        System.out.print("a=" + a + ", b=" + b + " ");
    }
 
    public static void f1(){
        System.out.print("4 ");
    }
 
    int a = 100;
    static int b = 200;
}
// 输出结果放到文章末尾

四、类加载器

1、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称为“类加载器”。

类加载器可以说是Java语言的一项创新，也是Java语言流行的重要原因之一。类加载器在类层次划分、OSGi、热部署、代码加密等领域大放异彩，成为Java技术体系中一块重要的基石。

2、类与类加载器

类加载器虽然只作用于类的加载动作，但它在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，都需要由它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。

3、双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来讲，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，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

从Java开发人员的角度来看，类加载器还可以划分得更细致一些，绝大部分Java程序都会使用到已下3种系统提供的类加载器：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：前面已经介绍过了，这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME >\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所制定的路径中的，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代替即可。
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载<JAVA_HOME >\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有类库，开发者可以直接使用扩展加载器。
应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader（）方法的返回值，所以一般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，一般情况这个就是程序中默认的类加载器。

我们的应用程序都是由这3种类加载器相互配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自己定义的类加载器。这些类加载器之间的关系一般如下图所示：

类加载器双亲委派模型

1) 双亲委派模型 上图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当有自己的父类加载器。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，而是都用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。

2）双亲委派模型的工作过程 它的工作过程是这样的：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）时，子加载器才会尝试自己去加载。

3）好处 使用双亲委派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一种带有优先级的层次关系。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都是同一个类。

4、破环双亲委派模型

双亲委派模型并不是一个强制性的约束模型，而是Java设计者推荐给开发者的类加载实现方式，在Java的世界中大部分的类加载器都遵循这个模型，但也有例外。

更多信息参见上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）和OSGi的相关资料。

5、文章末尾

// 文章末尾
准备阶段：javaTest=null, b=0
执行clinit：javaTest=new JavaTest() => 触发init方法
执行init：a=100, 输出2， 输出3， 输出a=100, b=0
继续执行clinit：输出1, b=200
故结果为
2 3 a=100, b=0 1 4

总访问次数: 261次, 一般般帅创建于 2017-10-11, 最后更新于 2020-06-25

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