类加载机制
前言
Class文件须要加载到虚拟机中以后才能运行和使用。而虚拟机如何加载Class文件?Class文件中的信息进入到虚拟机后会发生什么变化？这两个问题是本篇须要学习的内容。java
类加载的时机
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、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载7个阶段。其中验证、准备、解析这3个部分统称为链接。程序员
一般状况下，类的加载过程必须按照这种顺序开始，解析阶段可能会在初始化以后。但类加载过程不是阻塞的，这些阶段一般是互相交叉地混合式进行。web
虚拟机规范中严格规定了有且仅有4种状况必须当即对类进行初始化：安全
- 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，若是类没有进行过初始化，则须要先触发其初始化。生成这4条指令的最多见的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，若是类没有进行过初始化，则须要先触发其初始化。
- 当初始化一个类的时候，发现其父类尚未进行过初始化，则须要先触发其父类初始化。
- 当虚拟机启动时，用户须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。
类加载过程
Java虚拟机中类加载的过程包括5个阶段，分别是：加载、验证、准备、解析和初始化。数据结构
加载
在加载阶段，虚拟机须要完成三件事情：多线程
- 经过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
- 将这个字节流所表明的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
- 在内存中生成一个表明这个类的java.lang.Class对象，做为方法区这个类的各类数据的访问入口。
验证
验证是链接阶段的第一步，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，而且不会危害虚拟机自身的安全。
验证阶段大体上会完成4个阶段的检验动做：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号应用验证。svg
文件格式验证
验证字节流是否符合Class文件格式的规范。学习
元数据验证
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。spa
字节码验证
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作出危害虚拟机安全的事件。线程
符号引用验证
最后一个阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动做将在链接的第三阶段——解析阶段中发生。符号引用验证能够看作是对类自身之外（常量池中的各类符号引用）的信息进行匹配性校验。
对于虚拟机的类加载机制来讲，验证阶段是一个很是重要、但不是必要的阶段。
若是所运行的所有代码都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段能够考虑使用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短类加载的时间。
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。
这里所说的初始值“一般状况”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在准备阶段事后的初始值为0而不是123，由于这时候还没有开始执行任何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<clinit>()方法之中，因此value赋值为123的动做将在初始化阶段才会执行。
假如类变量被final修饰，那么在准备阶段value就会被赋值为123。
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应用的过程。
- 符号引用：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号能够是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标便可。
- 直接引用：直接引用是直接目标的指针或一个能间接定位到目标的句柄。
解析动做主要针对类或接口、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。
初始化
类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程当中，除了在加载阶段用户应用程序能够经过自定义类加载器参与以外，其他动做彻底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。
在准备阶段，类变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员经过程序制定的主观计划去初始化类变量和其余资源，或者能够从另一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。
<clinit>()方法是由编译器自动收集类中全部类变量的赋值动做和静态语句块中的语句合并产生的，编译器收集的顺序式由语句块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以前的变量，定义在它以后的变量，在前面的静态语句块能够赋值，可是不能访问。- 虚拟机会保证子类的
<clinit>()方法在执行以前，父类的<clinit>()已经执行完毕。(接口除外) <clinit>()对于类或接口来讲不是必须的，若是一个类中没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操做，那么编译器能够不为这个类生成<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，若是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，其余线程须要阻等待。
类加载器
虚拟机设计团队把类加载阶段中的“经过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动做放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序本身决定如何去获取所须要的类。实现这个动做的代码模块称为“类加载器”。
类与类加载器
对于任意一个类，都须要由加载它的类加载器和这个类自己一同确立其在Java虚拟机中的惟一性。
就是说比较两个类是否“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，不然，即便这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不一样，那这两个类就一定不相等。这里所指的“相等”，包括表明类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括使用instanceof关键字作对象所属关系断定等状况。
从Java虚拟机的角度来说，只存在两种不一样的类加载器：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；另外一种就是全部其余的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，而且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。
系统提供了3中类加载器，分别是：启动类加载器、扩展类加载器、应用程序类加载器。
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：它负责将存放在JAVA_HOME\lib目录中的，或者被-Xbooclasspath参数所指定的路径中的，而且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即便放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器没法被Java程序直接引用。
- 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载JAVA_HOME\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的全部类库，开发者能够直接使用扩展类加载器。
- 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。因为这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，因此通常也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者能够直接使用这个类加载器，若是应用程序中没有自定义过本身的类加载器，通常状况下这个就是程序中默认的类加载器。
咱们的应用程序都是由这3中类加载器互相配合进行加载的，若是有必要，还能够假如本身定义的类加载器，这些类加载器之间的关系通常以下图所示：
图中展现的类加载器之间的这中层次关系，称为类加载器的双亲委派模型。它并非一个强制性的约束模型，而是Java设计者推荐给开发者的一种类加载器实现方式。双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运做具备重要做用。