5 类的加载机制

Java 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，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。

0. 前置 类文件结构

Class类文件的结构

Class文件是一组以8个字节为基础单位的二进制流

根据《Java虚拟机规范》的规定，Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储数据，这种伪结构中只有两种数据类型：“无符号数”和“表”

• 魔数（Magic Number）前四位 它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件
• Class文件的版本号 第5和第6个字节是次版本号（MinorVersion），第7和第8个字节是主版本号（Major Version）
• 常量池 它 还是在Class文件中第一个出现的表类型数据项目 由于常量池中常量的数量是不固定的，所以在常量池的入口需要放置一项u2类型的数据，代表常量池容量计数值（constant_pool_count）常量池容量（偏移地址：0x00000008）为十六进制数0x0016，即十进制的22，这就 **

常量池中主要存放两大类常量：*字面量（Literal）和符号引用（Symbolic References）。字面量比
较接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等。而符号引用则属于编译原理方面的概念

当虚拟机做类加载时，将会从常量池获得对应的符号引用，再在类创建时或运行时解析、翻译到具体的内存地址之中

• 访问标志 这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息，包括：这个Class是类还是接口；是否定义为public类型；是否定义为abstract 类型；如果是类的话，是否被声明为final；等等。
• 类索引、父类索引与接口索引集合 Class文件中由这三项数据来确定该类型的继承关系类索 引用于确定这个类的全限定名，父类索引用于确定这个类的父类的全限定名
• 字段表集合 字段表（field_info）用于描述接口或者类中声明的变量
• 方法表集合 方法表的结构如同字段表一样，依 次包括访问标志（access_flags）、名称索（name_index）、描述符索引（descriptor_index）、属性表 集合（attributes）几项
• 属性表集合 Code属性 Exceptions属性 LocalVariableTable及LocalVariableTypeTable属性 SourceFile及SourceDebugExtension属性…..

字节码指令

同步指令

Java虚拟机可以支持方法级的同步和方法内部一段指令序列的同步，这两种同步结构都是使用管程（Monitor，更常见的是直接将它称为“锁”）来实现的
方法级的同步是隐式的，无须通过字节码指令来控制，它实现在方法调用和返回操作之中。虚拟机可以从方法常量池中的方法表结构中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志得知一个方法是否被声明为 同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查方法的ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置，如 果设置了，执行线程就要求先成功持有管程，然后才能执行方法，最后当方法完成（无论是正常完成 还是非正常完成）时释放管程。在方法执行期间，执行线程持有了管程，其他任何线程都无法再获取 到同一个管程。如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同 步方法所持有的管程将在异常抛到同步方法边界之外时自动释放。
同步一段指令集序列通常是由Java语言中的synchronized语句块来表示的，Java虚拟机的指令集中有monitorenter和monitorexit两条指令来支持synchronized关键字的语义，正确实现synchronized关键字 需要Javac编译器与Java虚拟机两者共同协作支持

为了保证在方法异常完成时monitorenter和monitorexit指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理程序，这个异常处理程序声明可处理所有 的异常，它的目的就是用来执行monitorexit指令。

1. 类加载的时机

一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历加载（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、解析三个部分统称为连接（Linking）。这七个阶段的发生顺序如下图（类的生命周期）所示：

2. 类加载的过程

接下来我们会详细了解 Java 虚拟机中类加载的全过程，即加载、验证、准备、解析和初始化这五个阶段所执行的具体动作。

2.1 加载

“加载”（Loading）阶段是整个 “类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段，在加载阶段，Java 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化为方法区的运行时数据结构。
• 3）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。

2.2 验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合《Java 虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段可以分为如下几个步骤：

1. 文件格式验证：

第一阶段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。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 Java 虚拟机接受范围之内。
• 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。
• …

1. 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，这个阶段可能包括的验证点如下：

• 这个类是否有父类（除了 java.lang.Object 之外，所有的类都应当有父类）。
• 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，例如方法参数都一致，但返回值类型却不同等）。

1. 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，主要目的是通过数据流分析和控制流分析，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校验完毕以后，这阶段就要对类的方法体（Class 文件中的 Code 属性）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，例如不会出现类似于 “在操作栈放置了一个 int 类型的数据，使用时却按 long 类型来加载入本地变量表中” 这样的情况。
• 保证任何跳转指令都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总是有效的，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这是安全的，但是把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个数据类型，则是危险和不合法的。
• …

1. 符号引用验证：

最后一个阶段的校验行为发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用[3]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（常量池中的各种符号引用）的各类信息进行匹配性校验，通俗来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。本阶段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、方法的可访问性（private、protected、public、）是否可被当前类访问。
• …

2.3 准备

准备阶段是正式为类中定义的变量（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（是这里所说的初始值 “通常情况” 下是数据类型的零值）。

假设一个类变量的定义为：

public static int value = 123;

那变量 value 在准备阶段过后的初始值为 0 而不是 123。

基本数据类型的零值表：

2.4 解析

解析阶段是 Java 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（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。
• 直接引用（Direct References）：直接引用是可以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。

解析的具体流程分为如下几个阶段：

• 1. 类或接口的解析
• 1. 字段解析
• 1. 方法解析
• 1. 接口方法解析

2.5 初始化

进行准备阶段时，变量已经赋过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，则会根据程序代码去初始化类变量和其他资源（例如，静态变量赋值动作和静态语句块（static{}）中的语句）。

我们也可以从另外一种更直接的形式来表达：初始化阶段就是执行类构造器 () 方法的过程。
<clinit>()并不是程序员在Java代码中直接编写 的方法，它是Javac编译器的自动生成物

·<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决定的，静态语句块中只能访问 到定义在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，

3. 类加载器

通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流”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的类。实现这个动 作的代码被称为“类加载器”（Class Loader）。

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超类加载阶段。对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在 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。

这句话可以表达得更通俗一些：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，即使这两个类来源于同一个 Class 文件，被同一个 Java 虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

站在 Java 虚拟机的角度来看，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[1]，是虚拟机自身的一部分；另外一种就是其他所有的类加载器，这些类加载器都由 Java 语言实现，独立存在于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。

类加载器分类，以 JDK 8 为例：

类加载器的优先级（由高到低）：启动类加载器 -> 扩展类加载器 -> 应用程序类加载器 -> 自定义类加载器

3.1 启动类加载器

用 Bootstrap 类加载器加载类：

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class F {
    static {
           System.out.println("bootstrap F init");
    }
}

执行：

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class Load5_1 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.F");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

输出：

E:\git\jvm\out\production\jvm>java -Xbootclasspath/a:. cn.itcast.jvm.t3.load.Load5
bootstrap F init
null

• -Xbootclasspath 表示设置 bootclasspath
• 其中 /a:. 表示将当前目录追加至 bootclasspath 之后
• 可以有以下几个方式替换启动类路径下的核心类：
  • java -Xbootclasspath: <new bootclasspath>
  • 前追加：java -Xbootclasspath/a:<追加路径>
  • 后追加：java -Xbootclasspath/p:<追加路径>

3.2 扩展类加载器

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class G {
    static {
        System.out.println("classpath G init");
    }
}

程序执行：

public class Load5_2 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.G");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

输出结果：

classpath G init
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

写一个同名的类：

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class G {
    static {
        System.out.println("ext G init");
    }
}

打个 jar 包：

E:\git\jvm\out\production\jvm>jar -cvf my.jar cn/itcast/jvm/t3/load/G.class 
已添加清单
正在添加: cn/itcast/jvm/t3/load/G.class(输入 = 481) (输出 = 322)(压缩了 33%)

将 jar 包拷贝到JAVA_HOME/jre/lib/ext（扩展类加载器加载的类必须是以 jar 包方式存在），重新执行 Load5_2

输出：

ext G init
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@29453f44

3.3 应用程序加载器

应用程序类加载器（Application Class Loader）：这个类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 来实现。由于应用程序类加载器是 ClassLoader 类中的getSystem-ClassLoader() 方法的返回值，所以有些场合中也称它为 “系统类加载器”。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所有的类库，开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。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的类加载器。

3.4 自定义类加载器

什么时候需要自定义类加载器：

• 1）想加载非 classpath 随意路径中的类文件
• 2）都是通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计
• 3）这些类希望予以隔离，不同应用的同名类都可以加载，不冲突，常见于 tomcat 容器

步骤：

• 继承 ClassLoader 父类。
• 要遵从双亲委派机制，重写 findClass 方法 注意不是重写 loadClass 方法，否则不会走双亲委派机制。
• 读取类文件的字节码。
• 调用父类的 defineClass 方法来加载类。
• 使用者调用该类加载器的 loadClass 方法。

4. 双亲委派模型

什么是双亲委派模型？

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。

如下图所示：

为什么要使用双亲委派模型呢？（好处）

避免重复加载 + 避免核心类篡改：

• 采用双亲委派模式的是好处是 Java 类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父加载器已经加载了该类时，就没有必要子加载器再加载一次。
• 其次是考虑到安全因素，java 核心 api 中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为 java.lang.Integer 的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心 Java API 发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的 java.lang.Integer，而直接返回已加载过的 Integer.class，这样便可以防止核心 API 库被随意篡改。