JVM学习笔记-第七章-虚拟机类加载机制
7.1 概述
Java虚拟机描述类的数据从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，这个过程被称为虚拟机的类加载机制。
两个约定：
- 后文直接对“类型”的描述都同时蕴含着类和接口的可能性
- 本章所提到的“Class文件”也并非特指某个存在于具体磁盘中的文件，而应当是一串二进制字节流。
7.2 类加载的时机
一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。其中验证、准备、解析三个部分称为连接。加载、验证、准备、初始化、卸载这个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按部就班地开始，而解析的阶段则不一定：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语言的运行时绑定特性。
有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”：
- 遇到new、getstatic、putstatic、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。可以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的时候、调用一个类型的静态方法的时候。
- 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候。
- 当初始化类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要触发其父类的初始化。
- 当虚拟机启动时，用户需要制定一个要执行的主类，虚拟机会先初始化这个主类。
- 但是用JDK 7新加入的动态语言支持时，如果一个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，则需要先出发其初始化 。
- 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。
这六种场景中的行为称为对一个类型进行主动引用，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。
接口中不能使用"static{ }"语句块，但编译器仍然会为接口生成"( )"类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。于类不同的是触发初始化场景中的第三条：当一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候才会初始化。
7.3 类加载的过程
7.3.1 加载
在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事：
- 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
- 将这个字节流所代表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。
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，但还是跟类加载器仍有很密切的关系，因为数组类的元素类型最终还是通过类加载器完成加载的。
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。
7.3.2 验证
验证时连接阶段的第一步，这个阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合了《Java虚拟机规范》的全部约束要求。验证阶段大致上会完成下面四个阶段的校验动作：
1. 文件格式验证
第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。这阶段的验证时基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段之后，这段字节流才被允许进入Java虚拟机内存的方法区进行存储，所以后面的三个验证阶段全部都是基于方法区的存储结构上进行的，不会再直接读取、操作字节流了。
2. 元数据验证
第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合《Java语言规范》的要求。主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在与《Java语言规范》的定义相悖的元数据信息。
3. 字节码验证
第三个阶段是最复杂的一个阶段，主要目的是通过数据流分析合控制流分析确定程序语义是合法的、符合逻辑的。这阶段对类的方法体（Class文件中的Code属性）进行校验分析，保证被校验类的方法体在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。
优化操作：在方法体Code属性的属性表中添加一项名为"StackMapTable"的新属性，描述了方法体的所有基本块开始时本地变量表和操作栈应有的状态。在字节码验证期间只需要检查StackMapTable属性中的记录是否合法即可。
4. 符号引用验证
最后一个阶段的校验行为发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化发生在连接的第三阶段——解析阶段。作用为查看该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。主要目的是确保解析行为能正常执行。
7.3.3 准备
准备阶段是正式为类中定义的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应当在方法区中进行分配，JDK 7及之前，HotSpot使用永久代来实现方法区,JDK 及之后，类变量会随着Class对象一起存放在Java堆中。内存分配的仅包括类变量，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Java堆中。类变量在准备阶段的初始值为0，因为这时尚未开始执行任何java方法，而赋值命令时程序被编译之后，存放于类构造器( )方法之中。所以赋值的动作需要到类的初始化阶段才会被执行。特殊情况下：
如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量值就会被初始化为ConstantValue属性所指定的初始值。
7.3.4 解析
解析阶段时Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。
- 符号引用：以一组符号来描述所引用的目标，符号可以时任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。引用目标不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。不通虚拟机能接受的符号引用必须是一致的。
- 直接引用：可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。与虚拟机的内存布局直接相关，如果有了直接引用，引用的目标必定已经在虚拟机内存中存在。
除了invokedynamic指令之外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存，可以在刚刚完成加载阶段还没有开始执行代码时提前进行解析。对于invokedynamic指令，必须要等到程序实际运行到这条指令时，解析动作才能开始。
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这7类符号引用进行，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CON-STANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_Dyna-mic_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info 8种常量类型。对于每种类型是如何解析的可以自行百度。
7.3.5 初始化
类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，之前介绍的几个类加载的动作里，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。
进行准备阶段时，变量已经赋过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。
类的初始化可以从另外一种更直接的形式来表达：初始化阶段就是执行类构造器()方法的过程。()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物，但我们非常有必要了解这个方法具体是如何产生的，以及()方法执行过程中各种可能会影响程序运行行为的细节，这部分比起其他类加载过程更贴近于普通的程序开发人员的实际工作。
()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{}块）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决定的。
()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的()方法执行前，父类的()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的()方法的类型肯定是java.lang.Object。
由于父类的()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。
()方法对于类或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成()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()方法。但接口与类不同的是，执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法，因为只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。此外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。
Java虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有其中一个线程去执行这个类的()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行完毕()方法。如果在一个类的()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。
7.4 类加载器
Java虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。实现这个动作的代码被称为“类加载器”（Class Loader）。
7.4.1 类与类加载器
类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远超类加载阶段。对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。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。不同的类加载器加载的条件下，两个类必定不相等。
7.4.2 双亲委派模型
站在Java虚拟机的角度来看，只存在两种不同的类加载器：
一种是启动类加载器（BootstrapClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分。
另外一种就是其他所有的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立存在于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。
站在Java开发人员的角度来看，类加载器就应当划分得更细致一些，对于这个时期的Java应用，绝大多数Java程序都会使用到以下3个系统提供的类加载器来进行加载：
- 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：该类加载器负责加载存放在<JAVA_HOME>\lib目录，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的，而且是Java虚拟机能够识别的类库加载到虚拟机的内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器去处理，那直接使用null代替即可。
- 扩展类加载器（Extension Class Loader）：这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader中以Java代码的形式实现的。它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。允许用户将具有通用性的类库放置在ext目录里以扩展Java SE的功能。
- 应用程序类加载器（Application Class Loader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystem-ClassLoader()方法的返回值，所以有些场合中也称它为“系统类加载器”。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所有的类库，开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。
图7-2中展示的各种类加载器之间的层次关系被称为类加载器的“双亲委派模型（ParentsDelegation Model）”。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应有自己的父类加载器。不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承（Inheritance）的关系来实现的，而是通常使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。
双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载。
使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，一个显而易见的好处就是Java中的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。
7.4.3 破坏双亲委派模型
双亲委派模型并不是一个具有强制性约束的模型，而是Java设计者推荐给开发者们的类加载器实现方式。
在Java的世界中大部分的类加载器都遵循这个模型，但也有例外的情况，直到Java模块化出现为止，双亲委派模型主要出现过3次较大规模“被破坏”的情况：
第一次“被破坏”：
由于双亲委派模型在JDK 1.2之后才被引入，但是类加载器的概念和抽象类java.lang.ClassLoader则在Java的第一个版本中就已经存在，面对已经存在的用户自定义类加载器的代码，无法再以技术手段避免loadClass()被子类覆盖的可能性，只能在JDK 1.2之后的java.lang.ClassLoader中添加一个新的protected方法findClass()，并引导用户编写的类加载逻辑时尽可能去重写这个方法，而不是在loadClass()中编写代码。上节我们已经分析过loadClass()方法，双亲委派的具体逻辑就实现在这里面，按照loadClass()方法的逻辑，如果父类加载失败，会自动调用自己的findClass()方法来完成加载，这样既不影响用户按照自己的意愿去加载类，又可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的。
第二次“被破坏”：
是由这个模型自身的缺陷导致的，双亲委派很好地解决了各个类加载器协作时基础类型的一致性问题（越基础的类由越上层的加载器进行加载），基础类型之所以被称为“基础”，是因为它们总是作为被用户代码继承、调用的API存在，但程序设计往往没有绝对不变的完美规则，如果有基础类型又要调用回用户的代码，那该怎么办呢？
为了解决这个困境，Java的设计团队只好引入了一个不太优雅的设计：线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContext-ClassLoader()方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。
第三次“被破坏”：
是由于用户对程序动态性的追求而导致的，这里所说的“动态性”指的是一些非常“热”门的名词：代码热替换（Hot Swap）、模块热部署（HotDeployment）等。
例如OSGi实现模块化热部署的关键是它自定义的类加载器机制的实现，每一个程序模块（OSGi中称为Bundle）都有一个自己的类加载器，当需要更换一个Bundle时，就把Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。在OSGi环境下，类加载器不再双亲委派模型推荐的树状结构，而是进一步发展为更加复杂的网状结构，当收到类加载请求时，OSGi将按照下面的顺序进行类搜索：
1）将以java.*开头的类，委派给父类加载器加载。
2）否则，将委派列表名单内的类，委派给父类加载器加载。
3）否则，将Import列表中的类，委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。
4）否则，查找当前Bundle的ClassPath，使用自己的类加载器加载。
5）否则，查找类是否在自己的Fragment Bundle中，如果在，则委派给Fragment Bundle的类加载器加载。
6）否则，查找Dynamic Import列表的Bundle，委派给对应Bundle的类加载器加载。
7）否则，类查找失败。
7.5 Java模块化系统
在JDK 9中引入的Java模块化系统（Java Platform Module System，JPMS）是对Java技术的一次重要升级，为了能够实现模块化的关键目标——可配置的封装隔离机制，Java虚拟机对类加载架构也做出了相应的变动调整，才使模块化系统得以顺利地运作。
JDK 9以后，如果启用了模块化进行封装，模块就可以声明对其他模块的显式依赖。public类型不再意味着程序的所有地方的代码都可以随意访问到它们，模块提供了更精细的可访问性控制，必须明确声明其中哪些public的类型可以被其他哪一些模块访问。这种访问控制也主要是在类加载过程中完成的。
7.5.1 模块的兼容性
JDK 9提出了“模块路径”的概念：就是莫个类库到底是模块还是传统的JAR包，只取决于它存放在哪种路径上。
模块化系统将按照以下规则来保证传统路径依赖的Java程序可以不经过修改直接运行在JDK 9及以后的版本上：
- JAR文件在类路径的访问规则：所有类路径下的JAR文件及其他资源文件，都被是为自动打包在一个匿名模块里，这个匿名模块几乎没有任何隔离，它可以看到和使用类路径上的所有的包、JDK系统模块中的所有导出包，以及模块路径上所有模块中导出的包。
- 模块在模块路径的访问规则：模块路径下的具名模块只能访问到它依赖定义中列明依赖的模块和包
- JAR文件在模块路径的访问规则：如果把一个传统的、不包含模块定义的JAR文件放置到模块路径中，它就会变成一个自动模块。
7.5.2 模块化下的类加载器
模块化下的类加载器仍然发生了一些应该被注意到的变动，主要包括以下几个方面：
- 扩展类加载器被平台类加载器取代
- 平台类加载器和应用程序类加载器都不再派生自java.net.URLClassLoader。启动器加载器、平台类加载器、应用程序类加载器全都继承于jdk.internal.loader.BuiltinClassLoader
- 启动类加载器现在是在java虚拟机内部和java类库共同协作实现的类加载器
类加载的委派关系也发生了变动：当平台及应用程序类加载器收到类加载请求，在委派给父加载器加载前，要先判断该类是否能够归属到某一个系统模块中，如果可以找到这样的归属关系，就要优先委派给负责那个模块的加载器完成加载。