關於JVM虛擬機類加載相關知識講解

Figure-類加載過程圖

一、類加載過程

A、加載（Loading）

1）加載指的是將類的class文件讀入到內存，併為之創建一java.lang.Class對象，也就是說，當程序中使用任何類時，系統都會為之建立一個java.lang.Class對象。

2）類的加載由類加載器完成，類加載器通常由JVM提供，這些類加載器也是前面所有程序運行的基礎，JVM提供的這些類加載器通常被稱為系統類加載器。除此之外，開發者也可以通過繼承ClassLoader基類來創建自己的類加載器。

3）通過使用不同的類加載器，可以從不同來源加載類的二進制數據，通常有如下幾種來源：

（*）從本地文件系統加載class文件，這是前面絕大部分示例程序的類加載方式。

（*）從JAR包加載class文件，這種方式也是很常見的，前面介紹JDBC編程時用到的數據庫驅動類就放在JAR文件中，JVM可以從JAR文件中直接加載該class文件。

（*）通過網絡加載class文件。

（*）把一個Java源文件動態編譯，並執行加載。

4）類加載器通常無須等到"首次使用"該類時才加載該類，Java虛擬機規範允許系統預先加載某些類。

B、鏈接（Linking）

當類被加載之後，系統為之生成一個對應的Class對象，接著將會進入連接階段，連接階段負責把類的二進制數據合併到JRE中。類連接又可分為如下3個階段。

1） 驗證階段：

驗證階段用於檢驗被加載的類是否有正確的內部結構，並和其他類協調一致。Java是相對C++語言是安全的語言，例如它有C++不具有的數組越界的檢查。這本身就是對自身安全的一種保護。驗證階段是Java非常重要的一個階段，它會直接的保證應用是否會被惡意入侵的一道重要的防線，越是嚴謹的驗證機制越安全。驗證的目的在於確保Class文件的字節流中包含信息符合當前虛擬機要求，不會危害虛擬機自身安全。其主要包括四種驗證：文件格式驗證、元數據驗證、字節碼驗證、符號引用驗證。

四種驗證做進一步如下說明：

（*）文件格式驗證：主要驗證字節流是否符合Class文件格式規範，並且能被當前的虛擬機加載處理。例如：主，次版本號是否在當前虛擬機處理的範圍之內。常量池中是否有不被支持的常量類型。指向常量的中的索引值是否存在不存在的常量或不符合類型的常量。

（*）元數據驗證：對字節碼描述的信息進行語義的分析，分析是否符合java的語言語法的規範。

（*） 字節碼驗證：最重要的驗證環節，分析數據流和控制，確定語義是合法的，符合邏輯的。主要的針對元數據驗證後對方法體的驗證。保證類方法在運行時不會有危害出現。

（*）符號引用驗證：主要是針對符號引用轉換為直接引用的時候，是會延伸到第三解析階段，主要去確定訪問類型等涉及到引用的情況，主要是要保證引用一定會被訪問到，不會出現類等無法訪問的問題。

2） 準備階段：

類準備階段負責為類的靜態變量分配內存，並設置默認初始值。

3） 解析階段：

將類的二進制數據中的符號引用替換成直接引用。說明一下：符號引用：符號引用是以一組符號來描述所引用的目標，符號可以是任何的字面形式的字面量，只要不會出現衝突能夠定位到就行。佈局和內存無關。直接引用：是指向目標的指針，偏移量或者能夠直接定位的句柄。該引用是和內存中的佈局有關的，並且一定加載進來的。

C、初始化（Initialization）

1）類初始化階段是類加載過程的最後一步， 這些動作完全由虛擬機主導和控制，除了用戶應用程序的自定義的類加載器之外。

2）到了初始化階段，才真正開始執行類中定義的java程序代碼。

3）在準備階段，變量已經賦過一次系統要求的初始值，而在初始化，則是根據程序員制訂的主觀計劃去初始化類的變量和其它資源。

二、 類加載時機

（*） 創建類的實例，也就是new一個對象

（*）訪問某個類或接口的靜態變量，或者對該靜態變量賦值

（*）調用類的靜態方法

（*）反射Class.forName("com.XXX.Demo")

（*）初始化一個類的子類（會首先初始化子類的父類）

（*）JVM啟動時標明的啟動類，即文件名和類名相同的那個類

三、 類加載器

類加載器負責加載所有的類，其為所有被載入內存中的類生成一個java.lang.Class實例對象。一旦一個類被加載如JVM中，同一個類就不會被再次載入了。正如一個對象有一個唯一的標識一樣，一個載入JVM的類也有一個唯一的標識。在Java中，一個類用其全限定類名（包括包名和類名）作為標識；但在JVM中，一個類用其全限定類名和其類加載器作為其唯一標識。

JVM預定義有三種類加載器，當一個JVM啟動的時候，Java開始使用如下三種類加載器：

1） 根類加載器（Bootstrap Class Loader）:它用來加載 Java 的核心類，是用原生代碼來實現的，並不繼承自 java.lang.ClassLoader（負責加載$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar裡所有的class，由C++實現，不是ClassLoader子類）。由於引導類加載器涉及到虛擬機本地實現細節，開發者無法直接獲取到啟動類加載器的引用，所以不允許直接通過引用進行操作。

2） 擴展類加載器（Extensions Class Loader）：它負責加載JRE的擴展目錄，lib/ext或者由java.ext.dirs系統屬性指定的目錄中的JAR包的類。由Java語言實現，父類加載器為null。

3） 系統類加載器（System Class Loader）：被稱為系統（也稱為應用）類加載器，它負責在JVM啟動時加載來自Java命令的-classpath選項、java.class.path系統屬性，或者CLASSPATH換將變量所指定的JAR包和類路徑。程序可以通過ClassLoader的靜態方法getSystemClassLoader()來獲取系統類加載器。如果沒有特別指定，則用戶自定義的類加載器都以此類加載器作為父加載器。由Java語言實現，父類加載器為ExtClassLoader。

類加載器加載Class大致要經過如下8個步驟：

（_1）檢測此Class是否載入過，即在緩衝區中是否有此Class，如果有直接進入第8步，否則進入第2步；

（_2）如果沒有父類加載器，則要麼Parent是根類加載器，要麼本身就是根類加載器，則跳到第4步，如果父類加載器存在，則進入第3步；

（_3）請求使用父類加載器去載入目標類，如果載入成功則跳至第8步，否則接著執行第5步；

（_4）請求使用根類加載器去載入目標類，如果載入成功則跳至第8步，否則跳至第7步；

（_5）當前類加載器嘗試尋找Class文件，如果找到則執行第6步，如果找不到則執行第7步；

（_6）從文件中載入Class，成功後跳至第8步；

（_7）拋出ClassNotFountException異常；

（_8）返回對應的java.lang.Class對象。

四、 類加載機制

JVM的類加載機制主要有如下3種：

（*）全盤負責：所謂全盤負責，就是當一個類加載器負責加載某個Class時，該Class所依賴和引用其他Class也將由該類加載器負責載入，除非顯示使用另外一個類加載器來載入；

（*）雙親委派：所謂的雙親委派，則是先讓父類加載器試圖加載該Class，只有在父類加載器無法加載該類時才嘗試從自己的類路徑中加載該類。通俗的講，就是某個特定的類加載器在接到加載類的請求時，首先將加載任務委託給父加載器，依次遞歸，如果父加載器可以完成類加載任務，就成功返回；只有父加載器無法完成此加載任務時，才自己去加載；

（*）緩存機制。緩存機制將會保證所有加載過的Class都會被緩存，當程序中需要使用某個Class時，類加載器先從緩存區中搜尋該Class，只有當緩存區中不存在該Class對象時，系統才會讀取該類對應的二進制數據，並將其轉換成Class對象，存入緩衝區中。這就是為解決修改了Class後，必須重新啟動JVM，程序所做的修改才會生效的原因。

對雙親委派機制舉例說明如下：

（*）雙親委派機制，其工作原理的是，如果一個類加載器收到了類加載請求，它並不會自己先去加載，而是把這個請求委託給父類的加載器去執行，如果父類加載器還存在其父類加載器，則進一步向上委託，依次遞歸，請求最終將到達頂層的啟動類加載器，如果父類加載器可以完成類加載任務，就成功返回，倘若父類加載器無法完成此加載任務，子加載器才會嘗試自己去加載，這就是雙親委派模式，即每個兒子都很懶，每次有活就丟給父親去幹，直到父親說這件事我也幹不了時，兒子自己才想辦法去完成。

（*） 雙親委派機制的優勢：採用雙親委派模式的是好處是Java類隨著它的類加載器一起具備了一種帶有優先級的層次關係，通過這種層級關可以避免類的重複加載，當父親已經加載了該類時，就沒有必要子ClassLoader再加載一次。其次是考慮到安全因素，java核心api中定義類型不會被隨意替換，假設通過網絡傳遞一個名為java.lang.Integer的類，通過雙親委託模式傳遞到啟動類加載器，而啟動類加載器在核心Java API發現這個名字的類，發現該類已被加載，並不會重新加載網絡傳遞的過來的java.lang.Integer，而直接返回已加載過的Integer.class，這樣便可以防止核心API庫被隨意篡改。

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