深入理解JVM：虚拟机类加载机制

　

概述

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。

• 运行时加载：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；

类加载的时机

类的生命周期：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）；

• 其中验证、准备、解析三个部分统称为连接（Linking）。
• 加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类型的加载过程必须按照这种顺序开始：
  • 只按序“开始”，而不一定按序“进行”或“完成”：这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，会在一个阶段执行的过程中调用、激活另一个阶段；
  • 而解析阶段则不一定：在某些情况下，解析可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）；

加载的时机：“《Java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，《Java虚拟机规范》则是严格规定了有且只有六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”这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型Java代码场景有：
   • 使用new关键字实例化对象的时候。
   • 读取或设置一个类型的静态字段（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。
   • 调用一个类型的静态方法的时候。
2. 使用“java.lang.reflect”包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3. 当初始化类的时候，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），虚拟机会先初始化主类。
5. 当使用JDK 7新加入的动态语言支持时，如果一个“java.lang.invoke.MethodHandle”实例最后的解析结果为“REF_getStatic”、“REF_putStatic”、“REF_invokeStatic”、“REF_newInvokeSpecial”四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。【？？？】
6. 当一个接口中定义了JDK 8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

除此之外，所有引用类型的方式都不会触发初始化，称为“被动引用”。

类加载的过程

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。

关于“二进制字节流”，从以下方法获取：

• 从ZIP压缩包中读取：这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。
• 从网络中获取：这种场景最典型的应用就是Web Applet。
• 运行时计算生成：这种场景使用得最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass()来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流。
• 由其他文件生成：典型场景是JSP应用，由JSP文件生成对应的Class文件。
• 从数据库中读取：这种场景相对少见些，例如有些中间件服务器（如SAP Netweaver）可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。
• 可以从加密文件中获取：这是典型的防Class文件被反编译的保护措施，通过加载时解密Class文件来保障程序运行逻辑不被窥探。

关于“方法区的运行时数据结构”，其方法区：

• JDK 8 之前，HotSpot用永久代来实现方法区；JDK 8 之后，废弃了永久代，改用“元空间”（Metaspace）来代替。（JDK1.7中已将字符串常量池移出到堆）
• 对于Hotspot而言，Class对象存是放在方法区的；（其他对象都是存放在堆中）

关于加载阶段：

1. 非数组类的加载阶段：
   • 既可以使用Java虚拟机里内置的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成【重写一个类加载器的findClass()或loadClass()方法】；
2. 数组类的加载阶段：

   【数组的组件类型 Component Type：指的是数组去掉一个维度的类型】

   【数组类的元素类型 ElementType：指的是数组去掉所有维度的类型】

   • 数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的；
   • 数组类的元素类型由类加载器来完成加载：
     1. 如果数组的“组件类型”是引用类型，那就递归采用加载过程去加载这个组件类型，数组C将被标识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上【？？？】；
     2. 如果数组的“组件类型”不是引用类型（例如int[]数组的组件类型为int），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联；
   • 数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致，如果组件类型不是引用类型，它的数组类的可访问性将默认为public，可被所有的类和接口访问到。

加载阶段与连接阶段的部分动作（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，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一部分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。