Java JVM类加载原理详解

JVM类加载简介

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

wps5F9E.tmp

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError错误）如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误

JVM加载.class文件的方式
– 从本地系统中直接加载
– 通过网络下载.class文件
– 从zip，jar等归档文件中加载.class文件
– 从专有数据库中提取.class文件
– 将Java源文件动态编译为.class文件

JVM类加载顺序

JVM加载就是寻找一个类或是一个接口的二进制形式并用该二进制形式来构造代表这个类或是这个接口的class对象的过程，其中类或接口的名称是给定了的。当然名称也可以通过计算得到，但是更常见的是通过搜索源代码经过编译器编译后所得到的二进制形式来构造。
在Java中，类装载器把一个类装入JVM中，要经过三个步骤来完成：加载、链接和初始化，其中链接又可以分成校验、准备和解析三步，除了解析外，其它步骤是严格按照顺序完成的，各个步骤的主要工作如下：
加载：查找和导入类或接口的二进制数据；

链接：执行下面的校验、准备和解析步骤，其中解析步骤是可以选择的；
校验：检查导入类或接口的二进制数据的正确性；
准备：给类的静态变量分配并初始化存储空间；
解析：将符号引用转成直接引用；
初始化：激活类的静态变量的初始化Java代码和静态Java代码块。

JVM类加载实现

JVM中类的加载是由ClassLoader和它的子类来实现的，Java ClassLoader 是一个重要的Java运行时系统组件。它负责在运行时查找和装入类文件的类。
在Java中，ClassLoader是一个抽象类，它在包java.lang中，可以这样说，只要了解了在ClassLoader中的一些重要的方法，再结合上面所介绍的JVM中类装载的具体的过程，对动态装载类这项技术就有了一个比较大概的掌握，这些重要的方法包括以下几个:
①loadCass方法 loadClass(String name ，boolean resolve)其中name参数指定了JVM需要的类的名称，该名称以包表示法表示，如Java.lang.Object；resolve参数告诉方法是否需要解析类，在初始化类之前，应考虑类解析，并不是所有的类都需要解析，如果JVM只需要知道该类是否存在或找出该类的超类，那么就不需要解析。这个方法是ClassLoader 的入口点。
②defineClass方法这个方法接受类文件的字节数组并把它转换成Class对象。字节数组可以是从本地文件系统或网络装入的数据。它把字节码分析成运行时数据结构、校验有效性等等。
③findSystemClass方法 findSystemClass方法从本地文件系统装入文件。它在本地文件系统中寻找类文件，如果存在，就使用defineClass将字节数组转换成 Class对象，以将该文件转换成类。当运行Java应用程序时，这是JVM 正常装入类的缺省机制。
④resolveClass方法 resolveClass(Class c)方法解析装入的类，如果该类已经被解析过那么将不做处理。当调用loadClass方法时，通过它的resolve 参数决定是否要进行解析。
⑤findLoadedClass方法当调用loadClass方法装入类时，调用findLoadedClass 方法来查看ClassLoader是否已装入这个类，如果已装入，那么返回Class对象，否则返回NULL。如果强行装载已存在的类，将会抛出链接错误。

JVM类加载应用

class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
public static int a;
public static int b=0;

private Singleton() {
a++;
b++;
}

public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}

public class MAINTEST {
public static void main(String[] args) {
Singleton singleton = Singleton.getInstance();
System.out.println("a=" + singleton.a);
System.out.println("b=" + singleton.b);
}
}

public class MAINTEST {

public static void main(String[] args) {
Singleton singleton = Singleton.getInstance();
System.out.println("a=" + singleton.a);
System.out.println("b=" + singleton.b);
}
}

class Singleton {
public static int a;
public static int b=0;
private static Singleton instance = new Singleton();

private Singleton() {
a++;
b++;
}

public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}

public class MAINTEST {
public static void main(String[] args) {
Singleton singleton = Singleton.getInstance();
System.out.println("a=" + singleton.a);
System.out.println("b=" + singleton.b);
}
}

分析：

1.类的入口从main函数开始，当程序已启动，首先要调用第19行的代码，这个时候调用了类的静态方法（这时候，类开始初始化）

2.当类开始初始化的时候，所有的静态变量会被初始化成默认值。

3.以第一个图来说，当初始化完毕类的静态变量后，开始加载类，这个时候是按照顺序往下解析的。

4.当执行第二行的new Singleton的时候，会调用构造方法，这个时候，a和b都变成了1

5.当程序执行到第三行的时候，a还是1

6.当程序执行到第四行的时候，b变成了0

7.所以输出1和0

JVM类加载原理总结

（1）类的生命周期包括了：加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)、卸载(Unloading)七个阶段
（2）当Java程序需要使用某个类时，JVM会确保这个类已经被加载、连接（验证、准备和解析）和初始化。
（3）加载阶段：通过一个类的全限定名来获取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java堆中生成一个代表这个类的Class对象，作为方法区这些数据的访问入口；
（4）验证阶段：验证是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全；包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证；如果验证到输入的字节流不符合Class文件的存储格式，就抛出一个java.lang.VerifyError异常或其子类异常。
（5）准备阶段：准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值(各数据类型的零值)的阶段，这些内存将在方法区中进行分配。
（6）解析阶段：解析阶段是在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：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已经加载到内存中。直接引用：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或者一个能间接定位到目标的句柄。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。
（7）初始化阶段：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。
初始化是重点，需要清楚以下几点：
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中可以赋值，但是不能访问。
2、方法与实例构造器<cinit>()不同，不需要显示的调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()已经执行完毕。
3、<clinit>()方法对于类或接口来说不是必须的，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<clinit>()方法。
4、执行接口的<clinit>()不需要先执行父接口的<clinit>()方法，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。接口的实现类在初始化时也不会执行接口的<clinit>()方法。
5、虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确的加锁和同步，如果多个线程同时去初始化一个类，则只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程需要阻塞等待。