JVM类加载机制

JVM类加载机制分为五个部分：加载、验证、准备、解析、初始化。

加载

在加载阶段（可以参考java.lang.ClassLoader的loadClass()方法），虚拟机需要完成以下3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（并没有指明要从一个Class文件中获取，可以从其他渠道，譬如：网络、动态生成、数据库等）；
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；

加载阶段和连接阶段（Linking）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，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。

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。
验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

1. 文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以魔术0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型；
2. 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外；
3. 字节码验证：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；
4. 符号引用验证：确保解析动作能正确执行；

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone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。

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着对象一起分配在堆中。其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，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，因为这时候尚未开始执行任何java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。
至于“特殊情况”是指：

public static final int value=123

即当类字段的字段属性是ConstantValue时，会在准备阶段初始化为指定的值，所以标注为final之后，value的值在准备阶段初始化为123而非0.

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。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。

符号引用

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，只要使用时能够无歧义的定位到目标即可。例如，在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现。符号引用与虚拟机的内存布局无关，引用的目标并不一定加载到内存中。在Java中，一个java类将会编译成一个class文件。在编译时，java类并不知道所引用的类的实际地址，因此只能使用符号引用来代替。比如org.simple.People类引用了org.simple.Language类，在编译时People类并不知道Language类的实际内存地址，因此只能使用符号org.simple.Language（假设是这个，当然实际中是由类似于CONSTANT_Class_info的常量来表示的）来表示Language类的地址。各种虚拟机实现的内存布局可能有所不同，但是它们能接受的符号引用都是一致的，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

直接引用可以是：

1. 直接指向目标的指针（比如，指向“类型”【Class对象】、类变量、类方法的直接引用可能是指向方法区的指针）；
2. 相对偏移量（比如，指向实例变量、实例方法的直接引用都是偏移量）；
3. 一个能间接定位到目标的句柄；

直接引用是和虚拟机的布局相关的，同一个符号引用在不同的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被加载入内存中了。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的java程序代码。在准备阶段，变量已经赋值过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员定义的程序代码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。

()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{}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，静态语句块只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问。如下：

public class Test
{
static
{
i=0;
System.out.println(i);//这句编译器会报错：Cannot reference a field before it is defined（非法向前应用）
}
static int i=1;
}

< clinit>()与< init>()的区别

< clinit>()方法不需要显示地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类< init>()方法执行之前，父类的< clinit>()方法方法已经执行完毕。

由于父类的< clinit>()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。

< clinit>()方法对于类或者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产< 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的加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的< 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>()方法中有很长的操作，就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是隐藏的。

需要注意的是，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行< clinit>()方法的那条线程退出< clinit>()方法后，其他线程唤醒之后不会再次进入< clinit>()方法。同一个类加载器下，一个类型只会初始化一次。

虚拟机规范严格规定了有且只有5中情况（jdk1.7）必须对类进行“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、invokestatic这四条字节码指令时，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、已在编译器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。
2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3. 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。
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），虚拟机会先初始化这个主类。
5. 当使用jdk1.7动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果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初始化，则需要先出触发其初始化。

代码实现

• 案例：

public class Singleton {
private static Singleton singleton = new Singleton();
public static int value1;
public static int value2 = 0;

private Singleton(){
log.info("Singleton构造方法，开始，value1=【{}】，value2=【{}】", value1, value2);
value1++;
value2++;
log.info("Singleton构造方法，结束，value1=【{}】，value2=【{}】", value1, value2);
}

public static Singleton getInstance(){
log.info("getInstance方法，value1=【{}】，value2=【{}】", value1, value2);
return singleton;
}
}

public class Singleton2 {
public static int value1;
public static int value2 = 0;
private static Singleton2 singleton2 = new Singleton2();

private Singleton2(){
log.info("Singleton2构造方法，开始，value1=【{}】，value2=【{}】", value1, value2);
value1++;
value2++;
log.info("Singleton2构造方法，结束，value1=【{}】，value2=【{}】", value1, value2);
}

public static Singleton2 getInstance2(){
log.info("getInstance2方法，value1=【{}】，value2=【{}】", value1, value2);
return singleton2;
}
}

public class Test {

public static void main(String[] args) {
Singleton singleton = Singleton.getInstance();
log.info("Singleton1 value1:【{}】", singleton.value1);
log.info("Singleton1 value2:【{}】", singleton.value2);

log.info("***********************************************");

Singleton2 singleton2 = Singleton2.getInstance2();
log.info("Singleton2 value1:【{}】", singleton2.value1);
log.info("Singleton2 value2:【{}】", singleton2.value2);
}

}

• 结果输出：

Singleton构造方法，开始，value1=【0】，value2=【0】
Singleton构造方法，结束，value1=【1】，value2=【1】
getInstance方法，value1=【1】，value2=【0】
Singleton1 value1:【1】
Singleton1 value2:【0】
***********************************************
Singleton2构造方法，开始，value1=【0】，value2=【0】
Singleton2构造方法，结束，value1=【1】，value2=【1】
getInstance2方法，value1=【1】，value2=【1】
Singleton2 value1:【1】
Singleton2 value2:【1】

• 解读：

Singleton：

1 首先执行main中的Singleton singleton = Singleton.getInstance();
2 类的加载：加载类Singleton
3 类的验证
4 类的准备：为静态变量分配内存，设置默认值。这里为singleton(引用类型)设置为null,value1,value2（基本数据类型）设置默认值0
5 类的初始化（按照赋值语句进行修改）：
执行private static Singleton singleton = new Singleton();
执行Singleton的构造器：value1++;value2++; 此时value1，value2均等于1
执行
public static int value1;
public static int value2 = 0;
此时value1=1，value2=0

Singleton02：

1 首先执行main中的Singleton2 singleton2 = Singleton2.getInstance2();
2 类的加载：加载类Singleton2
3 类的验证
4 类的准备：为静态变量分配内存，设置默认值。这里为value1,value2（基本数据类型）设置默认值0,singleton2(引用类型)设置为null,
5 类的初始化（按照赋值语句进行修改）：
执行
public static int value2 = 0;
此时value2=0(value1不变，依然是0);
执行
private static Singleton singleton = new Singleton();
执行Singleton2的构造器：value1++;value2++;
此时value1，value2均等于1,即为最后结果

类加载器

类加载器的任务是根据一个类的全限定名来读取此类的二进制字节流到JVM中，然后转换为一个与目标类对应的java.lang.Class对象实例，在虚拟机提供了3种类加载器，引导（Bootstrap）类加载器、扩展（Extension）类加载器、系统（System）类加载器（也称应用类加载器）。

在Java的日常应用程序开发中，类的加载几乎是由上述3种类加载器相互配合执行的，在必要时，我们还可以自定义类加载器，需要注意的是，Java虚拟机对class文件采用的是按需加载的方式，也就是说当需要使用该类时才会将它的class文件加载到内存生成class对象，而且加载某个类的class文件时，Java虚拟机采用的是双亲委派模式即把请求交由父类处理，它一种任务委派模式。

双亲委派模式

双亲委派模式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，请注意双亲委派模式中的父子关系并非通常所说的类继承关系，而是采用组合关系来复用父类加载器的相关代码，类加载器间的关系如下：

双亲委派模式是在Java 1.2后引入的，其工作原理的是，如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行，如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。

双亲委派模式优势

• 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，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader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。

可能你会想，如果我们在classpath路径下自定义一个名为java.lang.SingleInterge类(该类是胡编的)呢？该类并不存在java.lang中，经过双亲委托模式，传递到启动类加载器中，由于父类加载器路径下并没有该类，所以不会加载，将反向委托给子类加载器加载，最终会通过系统类加载器加载该类。但是这样做是不允许，因为java.lang是核心API包，需要访问权限，强制加载将会报出如下异常：

java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang

引导（Bootstrap）类加载器

启动（引导）类加载器主要加载的是JVM自身需要的类，这个类加载使用C++语言实现的，是虚拟机自身的一部分，它负责将 <JAVA_HOME>/lib路径下的核心类库或 -Xbootclasspath 参数指定的路径下的jar包加载到内存中，注意必由于虚拟机是按照文件名识别加载jar包的，如rt.jar，如果文件名不被虚拟机识别，即使把jar包丢到lib目录下也是没有作用的(出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类)。

扩展（Extension）类加载器

扩展类加载器是指Sun公司(已被Oracle收购)实现的sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类，由Java语言实现的，是Launcher的静态内部类，它负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录下或者由系统变量 -Djava.ext.dir 指定位路径中的类库，开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

//ExtClassLoader类中获取路径的代码
private static File[] getExtDirs() {
//加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的类库
String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
File[] dirs;
if (s != null) {
StringTokenizer st =
new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
int count = st.countTokens();
dirs = new File[count];
for (int i = 0; i < count; i++) {
dirs[i] = new File(st.nextToken());
}
} else {
dirs = new File[0];
}
return dirs;
}

系统（System）类加载器

也称应用程序加载器是指 Sun公司实现的sun.misc.Launcher$AppClassLoader。它负责加载系统类路径 java -classpath 或 -D java.class.path 指定路径下的类库，也就是我们经常用到的classpath路径，开发者可以直接使用系统类加载器，一般情况下该类加载是程序中默认的类加载器，通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器。

类加载器间的关系

• 启动类加载器，由C++实现，没有父类；
• 拓展类加载器(ExtClassLoader)，由Java语言实现，父类加载器为null；
• 系统类加载器(AppClassLoader)，由Java语言实现，父类加载器为ExtClassLoader；
• 自定义类加载器，父类加载器肯定为AppClassLoader；

参考博客

• http://www.importnew.com/18548.html
• https://www.geek-share.com/detail/2709440848.html