虚拟机类加载机制

类文件结构这边的知识先略了，太繁琐

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，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。

Java可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。

可以通过Java预置的或自定义类加载器，让某个本地的应用程序在运行时从网络
或其他地方上加载一个二进制流作为其程序代码的一部分。

类加载的时机

一个类型的整个生命周期将会经历加载（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，其中验证、准备、解析三个部分统称为连接（Linking）。

类的生命周期（来源《深入理解Java虚拟机 第三版》）

类型的加载过程必须按照这种顺序开始
但这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，会在一个阶段执行的过程中调用、激活另一个阶段。

必须立即对类进行“初始化”的情况（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

	前提：如果类型没有进行过初始化
1、遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时
	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（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。
	调用一个类型的静态方法的时候。
    
2、使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候

3、当初始化类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。

4、当虚拟机启动时，包含main()方法的那个类要先初始化

5、如果一个java.lang.invoke.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

6、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。

以上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。

被动引用eg：

package com.lly.Demo;

class SuperClass {
    static {
        System.out.println("SuperClass init!");
    }

    public static  int value = 123;

3、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
能改变的量叫变量，不能改变的（加了final）叫常量

    public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}

class SubClass extends SuperClass {
    static {
        System.out.println("SubClass init!");
    }
}

/**
 * 非主动使用类字段演示
 **/
public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args) {
    
    1、通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化（SubClass不会初始化）
    对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化
    
        System.out.println(SubClass.value);
    2、通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化
        //SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
    3、SuperClass不会初始化
        //System.out.println(SubClass.HELLOWORLD);
    }
}

接口初始化

当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是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（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

类加载过程

1、加载

“加载”（Loading）阶段是整个“类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段。虚拟机会完成三件事：

1、通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
2、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。
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。

对于以上三点不理解也没事，简单说就是转换为二进制流然后生成内存中的对象某某。。

对于第一点将反射、动态代理一起理解就好理解了，反射能获取对象的原因就是通过全类名在运行时计算生成

这也说明第一点怎么通过一个类来获取二进制字节流，从哪里获取的规定是比较松的

加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义。

2、验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

Class文件并不一定只能由Java源码编译而来，它可以使用包括靠键盘0和1直接在二进制编辑器中敲出
Class文件在内的任何途径产生。Java代码无法做到的事情在字节码层面上都是可以实现的，至少
语义上是可以表达出来的。

所以不检查不安全。。。

验证阶段会完成下面四个阶段的检验动作：

1、文件格式验证
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。

2、元数据验证
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

3、字节码验证
通过数据流分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的
数据类型校验完毕以后，这阶段就要对类的方法体（Class文件中的Code属性）进行校验分析，保证
被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为

4、符号引用验证。
发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生
检验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。

3、准备

准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段

从概念上讲，变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配，但方法区本身是一个逻辑上的区域
在JDK 7及之前，HotSpot使用永久代来实现方法区时，实现是完全符合这种逻辑概念的；
而在JDK 8及之后，类变量则会随着Class对象一起存放在Java堆中，“类变量在方法区”就完全是对逻辑概念的表述

在准备阶段进行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。类变量的内存分配也只是分配类变量类型的默认值，不是真正的赋值

类变量理解为static这样的静态变量

eg：public static int value = 123;

value值会在准备阶段后初始值变为0，赋值为123要到初始化之后

注：如果是常量的话，就会在准备阶段之后就赋值
eg：public static final int value = 123;

4、解析

解析阶段是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（Symbolic References）：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何
形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引
用的目标并不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。

直接引用（Direct References）：直接引用是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。直接引用是和虚拟机实现的内存布局直接相关的，如果有了直接引用，那
引用的目标必定已经在虚拟机的内存中存在。

解析动作分为：

1、类或接口的解析
2、字段解析
3、方法解析
4、接口方法解析

其中的步骤太多，有兴趣可以再回去翻一翻。

5、初始化

进行准备阶段时，变量已经赋过一次系统要求的初始值，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。

初始化阶段就是执行类构造器< clinit >()方法的过程。< clinit>()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

< clinit>()细节：

1、< clinit>()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，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问

public class Test {
static {
i = 0; // 给变量赋值可以正常编译通过
System.out.print(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用”
}
static int i = 1;
}

2、不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的< clinit>()方法执行前，父类的< clinit>()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的< clinit>()方法的类型肯定是java.lang.Object。

3、由于父类的< clinit>()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

4、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< clinit>()方法。

5、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< clinit>()方法。但接口与类不同的是，执行接口的< clinit>()方法不需要先执行父接口的< clinit>()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< clinit>()方法。

6、Java虚拟机必须保证一个类的< clinit>()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< clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待。但同一个类加载器下，一个类型只会被初始化一次。

类加载器

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）。

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

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，否则，
即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个Java虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，
那这两个类就必定不相等。

相等指的是：代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果等

双亲委派模型

类加载器

类加载器双亲委派模型（来源《深入理解Java虚拟机》）

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。

类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给
处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都能够保证
是同一个类。

如果没有使用双亲委派模型，都由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己也编写了一个名为
java.lang.Object的类，并放在程序的ClassPath中，那系统中就会出现多个不同的Object类，Java类型体
系中最基础的行为也就无从保证

实现双亲委派的代码在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 1. 检查该类是否已经加载
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                // 2. 有上级的话，委派上级 loadClass
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                // 3. 如果没有上级了（ExtClassLoader），则委派BootstrapClassLoader
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }

            if (c == null) {
               
                long t1 = System.nanoTime();
                // 4. 每一层找不到，调用 findClass 方法（每个类加载器自己扩展）来加载
                c = findClass(name);

                // 5. 记录耗时
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

总体逻辑：
先检查请求加载的类型是否已经被加载过，若没有则调用父加载器的loadClass()方法，
若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。假如父类加载器加载失败，
抛出ClassNotFoundException异常的话，才调用自己的findClass()方法尝试进行加载。

破坏双亲委派模型

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”其实发生在双亲委派模型出现之前，已经存在的用户自定义类加载器的代码，
为了兼容这些已有代码，在JDK 1.2之后的java.lang.ClassLoader中添加一个新的
protected方法findClass()

第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷导致的，即基础类型又要调用回用户的代码问题

第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的，即追求热部署，不用重启

线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）

在第二次双亲模型被破坏时设计出来

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。

此设计体现的是【面向接口编程+解耦】的思想，在下面一些框架中都运用了此思想：

JDBC
Servlet 初始化器
Spring 容器
Dubbo（对 SPI 进行了扩展）

在使用 JDBC 时，都需要加载 Driver 驱动，但不写
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")
也是可以让 com.mysql.jdbc.Driver 正确加载的。
其实最后也是是使用 Class.forName 完成类的加载和初始化，关联的是应用程序类加载器，
因此可以顺利完成类加载

 Service Provider Interface （SPI）约定如下，在 jar 包的 META-INF/services 包下，
 以接口全限定名名为文件，文件内容是实现类名称，所以可以不写

这部分内容会涉及到双亲模型被破坏的问题，可以阅读此博客后边关于此内容的部分，我就不重复造轮子了
http://t.csdn.cn/Ai1nk