JVM（五）——类加载阶段

一、类加载阶段

一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它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）。
类的声明周期
加载、验证、准备、初始化和卸载阶段的加载顺序是确定的，而解析阶段不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始。这是为了支持Java语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）。

1）加载

“加载”（Loading）阶段是整个“类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段。

将类的字节码载入方法区中，内部采用 C++ 的 instanceKlass 描述 java 类，它的重要 field 有：
- _java_mirror 即 java 的类镜像，例如对 String 来说，就是 String.class，作用是把 klass 暴
- 露给 java 使用
- _super 即父类
- _fields 即成员变量
- _methods 即方法
- _constants 即常量池
- _class_loader 即类加载器
- _vtable 虚方法表
- _itable 接口方法表

注意：

instanceKlass 这样的【元数据】是存储在方法区（1.8 后的元空间内），但 _java_mirror是存储在堆中的
可以通过前面介绍的 HSDB 工具查看

在这里插入图片描述

2）连接

2.1 验证

验证类是否符合 JVM 规范，安全性检查。

2.2 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（默认值）。这里仅包括类变量，而不包括实例变量。

设置默认值static 变量在 JDK 7 之前存储于 instanceKlass 末尾，从 JDK 7 开始，存储于 _java_mirror 末尾
static 变量分配空间和赋值是两个步骤，分配空间在准备阶段完成，真正的赋值在初始化阶段完成
如果 static 变量是 final 的基本类型，以及字符串常量，那么编译阶段值就确定了，赋值在准备阶
段完成
如果 static 变量被 final 修饰，但属于引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成

2.3 解析

将常量池中的符号引用解析为直接引用

package cn.itcast.jvm.t3.load;
/**
* 解析的含义
*/
public class Load2 {
	public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IOException {
		ClassLoader classloader = Load2.class.getClassLoader();
		// loadClass 方法不会导致类的解析和初始化 创建了C的对象，但不会创建 D的对象
		Class<?> c = classloader.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.C");
		// 创建了 C 和 D的对象
		// new C();	
		System.in.read();
	}
}
class C {
	D d = new D();
}
class D {
}

3）初始化阶段

<clinit>()V 方法
初始化即调用 <clinit>()V ，虚拟机会保证这个类的『构造方法』的线程安全
发生的时机
类初始化是【懒惰的】

main 方法所在的类，总会被首先初始化
首次访问这个类的静态变量或静态方法时
子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
子类访问父类的静态变量，只会触发父类的初始化
Class.forName
new 会导致初始化

不会导致类初始化的情况

访问类的 static final 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
类对象.class 不会触发初始化
创建该类的数组不会触发初始化
类加载器的 loadClass 方法
Class.forName 的参数 2 为 false 时

二、类加载器

以 JDK 8 为例：

名称	加载哪的类	说明
Bootstrap ClassLoader	JAVA_HOME/jre/lib	无法直接访问
Extension ClassLoader	JAVA_HOME/jre/lib/ext	上级为 Bootstrap, 显示 null
Application ClassLoader	classpath	上级为 Extension
自定义类加载	自定义	上级为 Application

一般情况下获取的 classloader 默认是 AppClassLoader 应用程序类加载器

1）启动类加载器

E:\git\jvm\out\production\jvm>java -Xbootclasspath/a:. cn.itcast.jvm.t3.load.Load5
bootstrap F init
null

-Xbootclasspath 表示设置 bootclasspath (Bootstrap ClassLoader)
其中 /a:. 表示将当前目录追加至 bootclasspath 之后

2）扩展类加载器

将A类打包成 jar包，放在 JAVA_HOME/jre/ext目录下，获取A类的类加载器为 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader$@23232。
通过双亲委派机制，往上找类加载器，委派上级优先查找加载，如果上级没有，最后由本级加载（应用程序类加载器）

3）双亲委派模式

所谓的双亲委派，就是指调用类加载器的 loadClass 方法时，查找类的规则

注意
这里的双亲，翻译为上级似乎更为合适，因为它们并没有继承关系

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) {
			}
			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;
	}
}

4）线程上下文类加载器

我们在使用 JDBC 时，都需要加载 Driver 驱动，但是实际上我们不写Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")，也可以让com.mysql.jdbc.Driver正确加载。底层是

public class DriverManager {
	// 注册驱动的集合
	private final static CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> registeredDrivers 
		= new CopyOnWriteArrayList<>();
	// 初始化驱动
	static {
		loadInitialDrivers();
		println("JDBC DriverManager initialized");
	}

进入loadInitialDrivers() 方法

private static void loadInitialDrivers() {
	...
	// 1）使用 ServiceLoader 机制加载驱动，即 SPI
	AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
		publicVoid run() {
			ServiceLoader<Driver> loadedDrivers =
			ServiceLoader.load(Driver.class);
			Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
			try{
				while(driversIterator.hasNext()) {
					driversIterator.next();
				}
			} catch(Throwable t) {
				// Do nothing
			}
			return null;
		}
	});
	println("DriverManager.initialize: jdbc.drivers = " + drivers);
	// 2）使用 jdbc.drivers 定义的驱动名加载驱动
	if (drivers == null || drivers.equals("")) {
		return;
	}
	String[] driversList = drivers.split(":");
	println("number of Drivers:" + driversList.length);
	for (String aDriver : driversList) {
		try {
			println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
			// 这里的 ClassLoader.getSystemClassLoader() 就是应用程序类加载器
			Class.forName(aDriver, true,	
			ClassLoader.getSystemClassLoader());
		} catch (Exception ex) {
			println("DriverManager.Initialize: load failed: " + ex);
		}
	}
}

底层实际上是 spi（Service Provider Interface）机制。
最后是使用 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

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
在这里插入图片描述
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）

5）自定义类加载器

在这里插入图片描述
在自定义类加载器时，使用不同的类加载器对象获取的类不是相同的。
例如:

public class Load7 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
        Class<?> c1 = classLoader.loadClass("MapImpl1");
        Class<?> c2 = classLoader.loadClass("MapImpl1");	// 都是 classLoader1 对象
        System.out.println(c1 == c2);	// true

        MyClassLoader classLoader2 = new MyClassLoader();
        Class<?> c3 = classLoader2.loadClass("MapImpl1");	// 创建了 classLoader2 
        System.out.println(c1 == c3);	// false
    }
}

三、运行期优化

1）即时编译

分层编译

JVM 将执行状态分成了 5 个层次：

0 层，解释执行（Interpreter）
1 层，使用 C1 即时编译器编译执行（不带 profiling）
2 层，使用 C1 即时编译器编译执行（带基本的 profiling）
3 层，使用 C1 即时编译器编译执行（带完全的 profiling）
4 层，使用 C2 即时编译器编译执行

即时编译器：c1 客户端编译器（Client Compiler） c2 服务端编译器 (Server Compiler)

profiling 是指在运行过程中收集一些程序执行状态的数据，例如【方法的调用次数】，【循环的
回边次数】等

即时编译器（JIT）与解释器的区别

解释器是将字节码解释为机器码，下次即使遇到相同的字节码，仍会执行重复的解释
JIT 是将一些字节码编译为机器码，并存入 Code Cache，下次遇到相同的代码，直接执行，无需再编译
解释器是将字节码解释为针对所有平台都通用的机器码
JIT 会根据平台类型，生成平台特定的机器码

对于占据大部分的不常用的代码，我们无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行的方式运行；另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速度。执行效率上简单比较一下 Interpreter < C1 < C2，总的目标是发现热点代码（hotspot名称的由来），优化之

优化手段称之为【逃逸分析】，发现新建的对象是否逃逸。可以使用 -XX:-DoEscapeAnalysis 关闭逃逸分析，再运行刚才的示例观察结果，未使用 C2 即时编译执行。

方法内联

对热点方法（经常调用的方法），且代码长度较短，会进行内联，即将方法内的代码拷贝、粘贴到方法调用者的位置。

-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintInlining （解锁隐藏参数）打印 inlining(内联) 信息
-XX:CompileCommand=dontinline,*JIT2.square 禁止某个方法 inlining
-XX:+PrintCompilation 打印编译信息