篇三：虚拟机类加载机制

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，这就是虚拟机加载机制。

与那些在编译时需要进行连接的语言不同，java中类型的加载和连接的过程都是在程序的运行期间完成的，这样会在类加载时稍微增加一点性能开销，但是却为Java应用程序提供了高度的灵活性，java语言动态扩展特性就是依赖运行期间动态加载和动态链接特点。

类加载时机

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了：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。这七个阶段的发生顺序如下：

 

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这个顺序按部就班的开始，而解析阶段不一定：它在某些情况下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（动态绑定）。这些阶段通常都是相互交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用或激活另外一个阶段。

虚拟机规范严格规定了有且仅有四种情况立即对类进行初始化（加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

1. 遇到new、getstatic、setstatic、invokestatic这4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。在java的场景中：使用new关键字实例化对象时，读取或设置一个类的静态字段（静态变量，被final修饰，已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外），调用一个类的静态方法时。

1. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时，如果类没有初始化，则需要先初始化。

1. 当初始化一个类的时候，发现其父类还没有初始化，则需要先触发其父类的初始化。

1. 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（main（）方法），虚拟机就会先初始化这个主类。

除此之外所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

情景一

/** * 通过子类引用父类静态变量，不会触发子类初始化 */ public class Demo01 { public static class MyThread { } public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException { System.out.println(SubClass.value); } } class SuperClass { static { System.out.println("SupperClass Init"); } public static int value = 123; } class SubClass extends SuperClass { static { System.out.println("SubClass Init"); } }

运行结果：

 

情景二

/** * 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化 */ public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException { SuperClass[] sca = new SuperClass[10]; }

并没有触发SupperClass类的初始化，但是这个代码里面触发了另外一个名为“[Lorg.fenixsoft.classloading.SuperClass”类的初始化，它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承于Object的子类，创建动作由字节码指令newarray触发。

这个类代表了一个元素类型为org.fenixsoft.classloading.SuperClass的一维数组，数组中应有的属性和方法（用户可以直接使用的只有public的length属性和clone（）方法）都是现在这个类中。

情景三

/** * 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化 */ public class Demo01 { public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException { System.out.println(SuperClass.VALUE); } } class SuperClass { static { System.out.println("SupperClass Init"); } public static final int VALUE= 123; }

调用类的常量不会触发该类的初始化，情景三和情景一有点类似，情景一调用的是类变量，而情景三调用的是类常量。在java源码中引用了SupperClass类的常量VALUE,但是在编译阶段将此常量值存储到了Demo01类的常量池中，对常量SupperClass.VALUE引用实际转换为了Demo01类对自身常量池的引用了。

接口加载过程与类加载有点不同，接口也有初始化过程，但是类都是静态代码块"static{}"输出初始化信息的，而接口不能使用“static{}”语句块，但是编译器仍然会为接口生成“<clinit>()”类构造器，用于初始化接口定义的成员变量。接口和类真正的区别在于当一个类在初始化时，类要求其父类全部初始化，但是接口在初始化的时候，并不要求其父接口全部初始化，只有真正使用到了父接口的时候才会初始化（如引用接口中定义的常量）。

类加载过程

加载

“加载”是“类加载”过程的一个阶段，在加载阶段主要完成三件事：

1. 通过类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流

1. 将这个字节流所代表的的静态存储结构化转化为方法区的运行时数据结构

1. 在java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这些数据的访问入口

相对于类加载其他阶段，加载阶段是开发期可控性最强的阶段，因为加载阶段既可以使用系统提供的类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载去完成，可以使用自定义类加载器控制字节流获取。

加载完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机需要的格式存储在方法区，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自定义，然后在java堆中初始化一个java.lang.Class对象，作为程序访问方法区类型数据的一个外部接口。

验证

验证是连接的第一步，主要目的是为了确保Class文件的字节流中包括的信息是否满足当前虚拟机的要求。

1. 文件格式验证

1. 元数据验证

   1. 这个类是否有父类

   2. 这个类是否继承了不允许继承的类

   3. 如果不是抽象类，是否实现了父类或者接口要求实现的所有方法

   4. 类中的字段、方法是否和父类产生了矛盾

1. 字节码验证

1. 符号引用验证

准备

准备阶段正式为类变量（不包括实例变量，实例变量会在对象实施例化时分配在堆中）分配内存并设置默认值，这些内存都是在方法区中分配。

例如：

public static int value = 123;

那么类变量value在准备阶段后的初始值为0，而不是123，因为准备阶段尚未开始任何java方法，而value赋值为123指令是在程序被编译之后，存放在类构造器<clinit>()方法中，所以value=123会在初始化阶段

但是如果是

public static final int value = 123;

是静态常量value，就会在类的字段属性表里面多一个ConstantValue属性，那么在准备阶段value就会被赋值为123。

解析

虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用，解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号引用进行解析。

初始化

到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的java程序代码（或者说是字节码）。在准备阶段，变量已经被赋值过一次默认值。看一下<clinit>()方法执行过程中会影响运行行为的特点和细节：

• <clinit>()方法和类的构造函数（实例构造器<init>()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证子类的<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()已经执行完毕。因此虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法一定是java.lang.Object。

• <clinit>()方法由编译器自动收集类中的所有变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序由语句在源文件中的顺序决定，静态代码块只能访问到在其之前定义的变量，定义在它之后的变量可以赋值不可访问。

• 由于父类的<clinit>()方法先执行，所以父类定义的静态语句块优先于子类变量赋值操作。

• <clinit>()方法不是必须存在的，如果类中没有静态代码块和变量赋值，那么编译器就不会生成<clinit>()方法。

• 接口不可以写静态代码块，但是也有对变量赋值操作，所以接口也会生成<clinit>()方法，但是与类不同的是接口不需要父接口<clinit>()先执行，只有当使用到父接口的变量时，才会初始化。接口的实现类在初始化的时候也不会执行接口的<clinit>()方法。

类加载器

判断两个类是否相等，取决于全限定类名和类加载器是否一致。不同的类加载器都会维护一个自己的类名空间。

双亲委派机制

目的：保证核心类只有一个

从虚拟机角度讲，只有两种类加载器：

1. 启动类加载器

1. 其他类加载器

从Java程序角度分为三种类加载器：

 

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader，java核心包），C++编写的，这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被java程序直接引用。

• 扩展类加载器（Extension ClassLoader，加载扩展包）：负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中或则被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载起。

• 应用程序类加载器（Application ClassLoader，项目路径和classpath路径）：这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader（）方法的返回值。负责加载用户路径ClassPath上的类库。如果应用中没有自定义类加载器，这个就是默认的类加载器。

static class AppClassLoader extends URLClassLoader { final URLClassPath ucp = SharedSecrets.getJavaNetAccess().getURLClassPath(this); public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader var0) throws IOException { final String var1 = System.getProperty("java.class.path"); final File[] var2 = var1 == null ? new File[0] : Launcher.getClassPath(var1); return (ClassLoader)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Launcher.AppClassLoader>() { public Launcher.AppClassLoader run() { URL[] var1x = var1 == null ? new URL[0] : Launcher.pathToURLs(var2); return new Launcher.AppClassLoader(var1x, var0); } }); } }

还有一个自定义类加载器，属于Application ClassLoader子类。

加载机制：除了顶层的启动类加载器外，其他的类加载器都应该有自己的父加载器。一个类加载器收到类加载请求时，会把这个请求交给父类加载器完成。每一层的加载器都会首先交给父类处理，因此所有的类加载请求一定来到启动类加载器。只有父类加载器无法完成这个加载请求，子加载器才会尝试处理加载请求。

所以，就算定义了和父类加载器中的类全限定名相同的类也不会被加载，只会加载父类加载器中的类。

实现

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // First, check if the class has already been loaded Class<?> c = findLoadedClass(name); if (c == null) { long t0 = System.nanoTime(); try { if (parent != null) { c = parent.loadClass(name, false); } else { c = findBootstrapClassOrNull(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { // ClassNotFoundException thrown if class not found // from the non-null parent class loader } if (c == null) { // If still not found, then invoke findClass in order // to find the class. long t1 = System.nanoTime(); c = findClass(name); // this is the defining class loader; record the stats sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0); sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1); sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment(); } } if (resolve) { resolveClass(c); } return c; } }

第7行代码对需要加载的类进行判空，如果为空则需要加载这个类，如果不为空直接返回该类引用。

第10行代码判断当前类加载器是否存在类加载器，如果不存在则使用根加载器（Bootstrap ClassLoader），存在则调用父类的LoaderClass方法。

篇四：JAVA内存模型&线程