类加载机制

1 类加载时机

1.1 生命周期

类从被虚拟机加载到内存，到卸载出内存为止，类的整个生命周期：加载、连接（验证、准备、解析）、初始化、使用和卸载；

1.2 加载时机

虚拟机规范没有强制约束类加载的时机，但严格规定了有且只有 5 种情况必须立即对类进行初始化

• 遇到 new、getstatic、putstatic 和 invokestatic 指令
• 对类进行反射调用时如果类没有进行过初始化
• 初始化时发现父类还没有进行初始化；
• 虚拟机启动指定的主类
• 动态语言中 MethodHandle 实例最后解析结果 REF_getStatic 等的方法句柄对应的类没有初始化时

2 类加载过程

加载、连接（验证、准备、解析）、初始化

2.1 加载

1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制流
2. 将这个字节流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

2.2 验证

确保 Class 文件的字节流信息符合虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机安全；

• 决定了 Java 虚拟机是否能承受恶意代码的攻击；
• 校验动作
  • 文件格式验证（基于二进制字节流）
  • 元数据验证（对类的元数据语义分析）
  • 字节码验证（对方法体语义分析）
  • 符号引用验证（对类自身以外的信息进行匹配性校验）

2.3 准备

为类变量（static）分配内存并设置零值，如 static final 则是直接赋值；

2.4 解析

将常量池内的符号引用替换为直接引用，可对解析结果进行缓存

2.5 初始化

执行类构造器方法 ()：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中的语句合并产生

• 类初始化时要求父类全部初始化过；接口初始化，只有真正用到父接口时才初始化
• 方法初始化是加锁阻塞等待的，应当避免在方法中有耗时很长的操作；
• 在初始化的时候，静态域的初始化和静态代码块的执行会从上到下依次执行

初始化顺序

先初始化静态成员，然后从父类到子类中，依次初始化非静态对象和构造器。

1. 父类静态初始化块
2. 子类静态初始化块
3. 父类初始化块
4. 父类构造器
5. 子类初始化块
6. 子类构造器

3 类加载器

• 虚拟机设计团队把类加载阶段的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到虚拟机外部去实现，实现这个动作的代码模块称为类加载器；
• 这是 Java 语言的一项创新，也是 Java 语言流行的重要原因，在类层次划分、OSGI、热部署、代码加密等领域大放异彩；

3.1 类与类加载器

• 类在虚拟机的唯一性，需要由类加载器和类本身一同确立。每个类加载器都有独立的类名称空间；
• 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；

3.2 双亲委派模型

双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其他的类加载器都应当有自己的父类加载器。

三种系统提供的类加载器：启动类加载器、扩展类加载器、应用程序类加载器；

1）工作过程

如果一个类加载器收到了类加载的请求，首先把这个请求委派给父类加载器去完成，只有父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载

2）好处

Java 类随着它的类加载器具备了一种带有优先级的层次关系，对保证 Java 程序的稳定运作很重要；

3）实现

实现双亲委派的代码都集中在 java.lang.ClassLoader 的 loadClass 方法中，逻辑清晰易懂

3.3 破坏双亲委派模型

双亲委派模型是 Java 设计者推荐给开发者的类加载器实现方法，但不是一个强制性的约束模型；

典型的两种情况：

• 为了解决 JNI 接口提供者（SPI）引入的线程上下文类加载器；
• 为了程序动态性加强的 OSGI 的 Bundle 类加载器；

3.4 自定义类加载器

除了 BootstrapClassLoader 其他类加载器均由 Java 实现且全部继承自java.lang.ClassLoader。

自定义自己的类加载器，需要继承 ClassLoader，然后重写 loadClass() 即可。