JVM-3 类加载机制上

最近写SDK代码遇到SPI，这其中涉及到类加载器的概念，又重新温习了一下，
考虑到类加载器一直没有系统地梳理一边，趁热总结一下。

1.引言

我们开发的java代码被javac编译为class文件后，需要加载到jvm内存里，才可以发挥作用。
这个加载有点像读的概念：虚拟机是个运行的程序，不断地读取class文件，然后输出对应的操作。
说到底，虚拟机就是一个由c/c++写出来的软件，在不同的平台上有不同的实现，但功能都相同–符合jvm规范。
通过jvm约定规范了class文件的结构，即不同的虚拟机实现都可以读懂同一份class文件，
从这个角度也能说明java跨平台的本质实现。
这个过程中有个很重要的过程类加载，这个“读”操作除了进行读，还进行了增强；
在读之前先进行了一系列校验，在读之后，又对读取的内容进行按部就班地加工。

未接触到虚拟机关于类加载器部分规范之前，我们可以猜想这样的设计：
方案1：将类加载器放在程序运行开始的时候，程序运行之初就加载所有的类，运行期间不允许加载;
方案2：在运行期间动态加载
方案1在启动时，做了大量的类加载操作，任务太重，占据大量内存和cpu资源；
但是运行时相对较快;
方案2在启动时很慢，保留了大量资源，在需要时才加载，
运行时因为类加载过程会消耗系统资源；
且方案二有个天生的有点，动态加载；如果不限定加载方式，那么可以从任何地方读取class文件(或者说类描述信息的载体)。
事实上jvm规范就是采用的第二种。

2.定义

“JVM把描述类的数据从class文件加载到内存，并对这些数据进行校验、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jvm的类加载机制” ——from 《JVM规范》。
java天生的动态扩展属性就来源于运行期间对类的动态加载。因此，编写一个面向接口的程序，可以等运行时才确定这个接口的实现类，且这个实现类可以从任何地方加载进Jvm内存。

3.类加载整个过程

类的整个生命周期包括以下几个部分，JVM规范规定了这些步骤大开始时间，但是没有规定必须串行执行，因此在实际的类加载过程中，步骤执行时段可以交叉。

在这里插入图片描述

(1)加载：
1）通过类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；
2）将这个二进制流代表的类数据转化为方法区的运行时数据结构;
3）在内存中生成一个代码此类的Class类型对象，作为这个类的访问入口;

对于第一步，虚拟机规范并没有规定必须去哪里加载类，只要求要得到二进制字节流，
因此加载路径可以多样化：

1）从zip包中获取：jar包,war包;
2）从网络上获取;
3）运行时生成：动态代理
4）从其他文件生成：每个JS文件最终都会生成一个Servlet类的class文件
5）从数据库读取
6）从加密文件中获取：通过编译时加密+加载时解密，实现对class文件的反编译保护。

(2) 验证
1）class文件文本格式校验
魔数cafebabe校验，根据主次版本号确定该虚拟机是否可以处理这个class，常量池是否有不被支持的类型等

2）元数据校验
进行的是语义分析，主要涉及类的继承关系：是否继承了不允许被继承的类，
如果该类不是抽象类，是否实现了父类所有的抽象方法；

3）字节码验证
进行数据流分析和控制流分析。

4）符号引用验证
校验符号引用能否正确转化为直接引用，例如符号引用能否通过字符串的全限定名找到对应的类等。

(3)准备
给静态字段分配内存，设初始零值

(4) 解析1
将可以确定的符号引用解析为直接引用的过程，即确定方法调用的版本，是个静态分派。

(5)初始化
执行编译器生成的类构造器方法()
收集了所有static变量的赋值动作和static代码块(按照在java中的顺序)
注意：静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的只能赋值，而不能访问;
这是代码规范中建议把static块放在文件底部的根本原因。

(6)解析2：
直到运行时才能确定方法的调用版本，运行时解析，是个动态分派。

(7)使用：
类型使用的入口是方法区中指向类信息的class对象

(8)卸载：
类的卸载的条件比较苛刻;

1)类型A所有的对象已经被gc，
2)加载类型A的类加载器已经被gc,

因此大部分类被加载进内存后，在整个jvm进程结束前都不会被GC，因为引导、扩展、系统类加载器在整个生命周期中都不会被卸载。

4.类的初始化时机

JVM对于什么时候开始“加载”或者“连接”没有规定,但是严格规定了必须立刻进行类的"初始化"的六种情况：

1）遇到 new,getstatic,putstatic,invokestatic指令时：即创建对象时，读写静态变量或者调用静态方法时。
2）使用反射时
3）初始化类时，如果父类没有初始化，先初始化父类
4）虚拟机启动的main方法所在的类（主类）
5）jdk7提供的动态语言中：MethodHandle实例解析出的方法句柄涉及静态方法时，需要先初始化这个方法句柄对应的类。
6) jdk8中接口默认方法(被default修饰的接口方法)，如果这个接口的实现类要初始化时，这个接口要先初始化。

5.类加载器介绍

JVM启动过程中涉及类加载器类的加载和初始化过程，以windows下的JVM为例：

(1) java.exe启动，找到JRE,加载jvm.dll,启动JVM并进行初始化;
(2) jvm初始化Bootstrap类加载器，加载核心类
(3) Bootstrap类加载器加载Extension类加载器，Extension类加载器加载扩展类。
(4) Extension类加载器加载System类加载器，System类加载器在classpath中加载主类App.class
(5) 执行App.class的main方法，整个程序启动成功;
(6) 在运行的过程中使用System类加载器加载类;也可使用System类加载器加载自定义类+通过自定义加载器加载类进JVM;

在上述流程中涉及到3个JVM提供的类加载器，

（1）引导类加载器(Bootstrap ClassLoader)
负责加载JDK中的核心类库，
<JAVA_HOME>/lib 以及 -Xbootclasspath参数指定的路径中存放的jar包；
且必须时可识别的：按照文件名识别，不能识别的不会被加载。
如：rt.jar等，String、Integer等类型都是有引导类加载器加载的。
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

（2）扩展类加载器(Extension ClassLoader)
主要负责加载Java的扩展类库,
默认加载JAVA_HOME/jre/lib/ext/目录下的所有jar包
由java.ext.dirs系统属性指定的jar包.
允许用户将具有通用性的类库放到ext目录下，以扩展Java SE的功能;

（3）系统类加载器(App ClassLoader)
主要负责加载用户类路径classpath
或者java.class.path系统属性
或者CLAsspATH操作系统属性所指定的JAR类包和类路径.
如果开发者没有使用自定义加载器，自己开发的类都由这个类加载器加载；

6.双亲委派机制

双亲委派机制时在jdk1.2以后引入的。

6.1 父子关系

其中引导类加载器是jvm提供的，使用c++语言实现；
其他类加载器都是继承于java.lang.classloader，因此都有一个parent属性，用来指向父加载器(组合关系而不是继承关系)
其中：

启动类加载器,由C++实现，没有父类。
拓展类加载器,父类加载器为null，表示父加载器是引导类;
系统类加载器,父类加载器为ExtClassLoader
自定义类加载器，父类加载器为系统类加载器。

6.2 双亲委派模型

(1) 当一个类加载器A收到一个加载请求时，自己先不加载，直接委托父类B去加载，B也会委托自己的父类C,一层层上传，直到引导类加载器。
(2) 如果父类可以加载，替代子类加载，返回成功；如果父类不可以加载，子类自己加载。

涉及的代码如下：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 检查这个classsh是否已经加载
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                // 如果有父类的加载器委托父类加载器加载
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    //如果父类的加载器为空,则当前加载器是bootStrap
                    //bootStrapClassloader比较特殊无法通过get获取
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {}
            if (c == null) {
                //如果bootstrap没有加载过，则递归回来，尝试自己去加载
                long t1 = System.nanoTime();
                c = findClass(name);
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasstime().addelapsedtimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

线程上下文类加载器，命名空间，自定义类加载器，tomcat对类加载器的使用与热部署等内容放在JVM-3 类加载机制（下）中整理。