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，这就是虚拟机的类加载机制

类的生命周期

image

类从被加载到虚拟机内存中开始，直到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载， 而验证，准备，解析部分又统称为连接。

在整个生命周期中，类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中，加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的，而解析阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

加载

加载，是类加载（Class Loading）过程的第一个阶段，主要任务是查找并加载类的二进制数据。在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情

• 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，作为在方法区中这个类的各种数据的访问入口

加载过程需要注意如下两点：

1、因为没有指定Class文件要从何获取，也就让整个加载过程可以有了更加广阔开放的舞台。这个设计最终间接导致了jar，war等格式的文件出现，Applet技术，动态代理技术更是应运而生。除此之外，开发人员可以自由选择类加载，甚至开发自己的类加载器去完成特殊“类”加载。

2、在加载阶段就已经在内存中生成了java.lang.Class对象，这个阶段之后就可以通过该对象访问方法区（永久代）上该类的相关信息。永久代上保存了被加载的类信息，常量，静态常量，JIT编译后的代码等数据。

验证（连接）

验证的目的是为了确保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

验证阶段大致会完成如下4个阶段的检验工作

• 文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；

例如：是否以魔术0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。

• 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；

  例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。类是否继承了不允许被继承的类（final类）

• 字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。

  例如：保证任何时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。StackMapTable属性优化，描述方法体中所有的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不需要根据程序与退到状态是否合法性。

• 符号引用验证：确保解析动作能正确执行。

例如：符号引用中通过字符串描述的全限定名是否可以找到对应的类，符号引用中的类，字段等是否可以被当前类访问

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

准备（连接）

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量（static变量）初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

这个阶段只为类的静态变量分配内存并进行零值初始化，对于该阶段有以下几点需要注意：

• 这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），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堆中。
• 这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值（所谓的零值不代表0，详细零值见如下表格）。
• 如果类字段的字段属性表中存在 ConstantValue属性，即同时被final和static修饰，那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstValue属性所指定的值。

各种基本数据类型的初始化零值如下：

案例分析

假设一个类变量的定义如下

public static int value = 1;

那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是1。因为这时候尚未开始执行任何java方法和java代码，而把value赋值为1的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器<clinit>()方法之中，而真正执行该类初始化方法的时间实在初始化阶段。

假设上面的类变量value被定义如下

 public static final int value = 1；

编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据 ConstantValue的设置将value赋值为1。我们可以理解为static final常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中

总结如下

• 对基本数据类型来说，对于类变量(static)和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。

• 对于同时被static和final修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类实例初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。

• 对于引用数据类型reference来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即null。

• 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。

解析（连接）

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程

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7类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。

直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步。在准备阶段，变量已经被赋予过一次‘零值’的初始值了，而在初始化阶段，则是根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。也可以说，初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

JVM 初始化类两个方式

• 声明类变量是指定初始值
• 使用静态代码块为类变量指定初始值

JVM初始化步骤

• 假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类
• 假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类
• 假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句

在JVM进行初始化时需要注意如下几点

• <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{}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所决定的，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可以赋值，但是不能访问。（很多笔试题经常出现）

• <clinit>()方法与实例构造器<init>()方法不同，它不需要显示地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类<init>()方法执行之前，父类的<clinit>()方法方法已经执行完毕。

• 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。

• <clinit>()方法对于类或者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产<clinit>()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<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。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>()方法。

• 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、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有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，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法中有好事很长的操作，就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是隐藏的。

<clinit>()方法线程安全问题

其他线程初始化同一个<clinit>()时会被阻塞，但如果执行<clinit>()方法的那条线程退出<clinit>()方法后，其他线程唤醒之后不会再次进入<clinit>()方法。同一个类加载器下，一个类型只会初始化一次。

public class DeadLoopTest {
    static class DeadLoopClass {
        static {
            // 如果不加上这个if语句，编译器将提示“Initializer does not complete normally”并拒绝编译
            if (true) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
                while (true) {
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Runnable script = new Runnable() {
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "start");
                DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();
                System.out.println(Thread.currentThread() + " run over");
            }
        };

        Thread thread1 = new Thread(script);
        Thread thread2 = new Thread(script);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

类初始化时机

虚拟机规定有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”

• 使用new关键字实例化对象
• 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）
• 调用类的静态方法
• 反射（java.lang.reflect包下的反射类，动态代理）
• 初始化子类时，先初始化其父类（父类还未初始化）
• Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（ Applaction），直接使用 java.exe命令来运行某个主类

结束生命周期

在如下几种情况下，Java虚拟机将结束生命周期

• 执行了 System.exit()方法
• 程序正常执行结束
• 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
• 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

类加载器

什么是类加载

虚拟机设计团队把类加载阶段中的“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要的类。实现这个工作的代码模块称为“类加载器”。

类加载器

类加载器是一个用来加载类文件的类。Java源代码通过javac编译器编译成类文件。然后JVM来执行类文件中的字节码来执行程序。类加载器负责加载文件系统、网络或其他来源的类文件。有三种默认使用的类加载器：Bootstrap类加载器、Extension类加载器和System类加载器（或者叫作Application类加载器）。每种类加载器都有设定好从哪里加载类。

public static void main(String[] args) {
        ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(loader.toString());
        System.out.println(loader.getParent().toString());
        System.out.println(loader.getParent().getParent());
}

打印结果如下：
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@4e0e2f2a
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@2a139a55
null

• Bootstrap类加载器负责加载rt.jar中的JDK类文件，它是所有类加载器的父加载器。Bootstrap类加载器没有任何父类加载器，如果你调用String.class.getClassLoader()，会返回null，任何基于此的代码会抛出NullPointerException异常。Bootstrap加载器被称为初始类加载器。
• Extension将加载类的请求先委托给它的父加载器，也就是Bootstrap，如果没有成功加载的话，再从jre/lib/ext目录下或者java.ext.dirs系统属性定义的目录下加载类。Extension加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。
• 第三种默认的加载器就是System类加载器（又叫作Application类加载器）了。它负责从classpath环境变量中加载某些应用相关的类，classpath环境变量通常由-classpath或-cp命令行选项来定义，或者是JAR中的Manifest的classpath属性。Application类加载器是Extension类加载器的子加载器。通过sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。除了Bootstrap类加载器是大部分由C来写的，其他的类加载器都是通过java.lang.ClassLoader来实现的。

截图 (3).png

注意：这里父类加载器并不是通过继承关系来实现的，而是采用组合实现的。

JVM类加载机制

• 全盘负责，当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖的和引用的其他Class也将由该类加载器负责载入，除非显示使用另外一个类加载器来载入

• 父类委托，先让父类加载器试图加载该类，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类

• 缓存机制，缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区寻找该Class，只有缓存区不存在，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象，存入缓存区。这就是为什么修改了Class后，必须重启JVM，程序的修改才会生效。

双亲委派模型

双亲委派的工作过程如下

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，因为所有的加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当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。

双亲委派机制:

• 1、当 AppClassLoader加载一个class时，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。

• 2、当 ExtClassLoader加载一个class时，它首先也不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader```去完成。

• 3、如果 BootStrapClassLoader加载失败（例如在 $JAVA_HOME/jre/lib里未查找到该class），会使用 ExtClassLoader来尝试加载；

• 4、若ExtClassLoader也加载失败，则会使用 AppClassLoader来加载，如果 AppClassLoader也加载失败，则会报出异常 ClassNotFoundException。

类加载器的工作原理

Java类加载器基于三个机制：委托、可见性和单一性。委托机制是指将加载一个类的请求交给父类加载器，如果这个父类加载器不能够找到或者加载这个类，那么再加载它。可见性的原理是子类的加载器可以看见所有的父类加载器加载的类，而父类加载器看不到子类加载器加载的类。单一性原理是指仅加载一个类一次，这是由委托机制确保子类加载器不会再次加载父类加载器加载过的类。

双亲委派的设计优点

java类随着它的类加载器一起具备了带有优先级的层次关系。

比如java.langObject,它存放在\jre\lib\rt.jar中,它是所有java类的父类，因此无论哪个类加载都要加载这个类，最终所有的加载请求都汇总到顶层的启动类加载器中。因此Object类会由启动类加载器来加载，所以加载的都是同一个类，如果不使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，系统中就会出现不止一个Object类，应用程序就会全乱了。

类的加载

常见类加载有三种方式：

• 命令行启动应用时候由JVM初始化加载
• 通过Class.forName()方法动态加载
• 通过ClassLoader.loadClass()方法动态加载

Class.forName()和ClassLoader.loadClass()区别

• Class.forName()：将类的.class文件加载到jvm中之外，还会对类进行解释，执行类中的static块；
• ClassLoader.loadClass()：只干一件事情，就是将.class文件加载到jvm中，不会执行static中的内容,只有在newInstance才会去执行static块。
• Class.forName(name,initialize,loader)带参函数也可控制是否加载static块。并且只有调用了newInstance()方法采用调用构造函数，创建类的对象 。

自定义类加载器

通常情况下，我们都是直接使用系统类加载器。但是，有的时候，我们也需要自定义类加载器。比如应用是通过网络来传输 Java类的字节码，为保证安全性，这些字节码经过了加密处理，这时系统类加载器就无法对其进行加载，这样则需要自定义类加载器来实现。自定义类加载器一般都是继承自 ClassLoader类，从上面对 loadClass方法来分析来看，我们只需要重写 findClass 方法即可。下面我们通过一个示例来演示自定义类加载器的流程：

package jvm.c7;

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    
    public MyClassLoader(String root) {
        this.root = root;
    }
    
    private String root;
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = loadClassData(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }

    private byte[] loadClassData(String className) {
        try {
            String fileName = root + File.separatorChar + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
            InputStream in = new FileInputStream(fileName);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int bufferSize = 1024;
            byte[] buffer = new byte[bufferSize];
            int length = 0;
            while ((length = in.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, length);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader("C://Users/Administrator.USER-20170830RI/Documents/workspace-sts-3.8.3.RELEASE/jvm");
        Class<?> testClass = null;
        try {
            testClass = myClassLoader.loadClass("jvm.c7.Test");
            Object object = testClass. newInstance();
            System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
            System.out.println(object.getClass().getName());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InstantiationException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

自定义类加载器的核心在于对字节码文件的获取，如果是加密的字节码则需要在该类中对文件进行解密。由于这里只是演示，我并未对class文件进行加密，因此没有解密的过程。这里有几点需要注意：

1、这里传递的文件名需要是类的全限定性名称，即 com.paddx.test.classloading.Test格式的，因为 defineClass 方法是按这种格式进行处理的。

2、最好不要重写loadClass方法，因为这样容易破坏双亲委托模式。

3、这类Test 类本身可以被 AppClassLoader类加载，因此我们不能把 com/paddx/test/classloading/Test.class放在类路径下。否则，由于双亲委托机制的存在，会直接导致该类由 AppClassLoader加载，而不会通过我们自定义类加载器来加载。

破坏双亲委派模型

• 1、兼容JDK1.2之前的ClassLoader
• 2、引入线程上下文类加载器
• 3、代码热替换，模块热部署等要求。OSGi实现模块化热部署的关键则是它自定义的类加载机制的实现。

参考文件

《深入理解Java虚拟机》
《java类的加载机制》http://www.cnblogs.com/ityouknow/p/5603287.html