HotSpot虚拟机之类加载过程及类加载器

一、类加载过程

1. 加载（Loading）

2. 验证（Verification）

3. 准备（Preparation）

4. 解析（Resolution）

5. 初始化（Initialization）

二、类加载时机

1. 主动引用（引用时主动初始化）

2. 被动引用（引用时不触发初始化）

1)：第一种被动引用

2)：第二种被动引用

3)：第三种被动引用

三、类加载器

1. 加载器类型

2. 双亲委派模型

3. 破坏双亲委派

四、参考资料

一、类加载过程

一个类型从被加载到JVM内存中开始，到卸载出内存为止，它的生命周期有7个阶段：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）、卸载（Unloading），如下图所示。其中加载、验证、准备、初始化、卸载的开始具有顺序性，但可以交叉进行。以下详细介绍其各个阶段。

1. 加载（Loading）

加载（Loading）目的是将类的Class文件加载到内存，由类加载器完成加载。

2. 验证（Verification）

验证（Verification）目的确保Class文件包含的信息符合《Java 虚拟机规范》的全部约束要求，验证阶段是否严谨，直接决定JVM是否能承受恶意代码的攻击。注意：文件格式验证后才能存储到元空间，其他三个验证基于元空间存储结构上进行，不再读取字节流。

3. 准备（Preparation）

准备（Preparation）目的将类中静态变量（static）分配内存并设置初始值（默认值）。

4. 解析（Resolution）

解析（Resolution）目的将常量池的符号引用替换为直接引用。引用有：

符号引用：一组符号来描述引用的目标（与内存布局无关）；
直接引用：直接指向目标的指针、偏移量、目标的句柄（与内存布局有关）。

解析点主要是类或接口、字段、类方法、接口方法等，其中：JDK9之前除了接口方法（public修饰）无需进行访问权限校验，其他查找结束后都要进行访问权限校验，不通过则抛出：java.lang.IllegalAccessError，JDK9之后增加了模块化访问权限；除invokedynamic指令外，会对第一次解析结果进行缓存，称为“解析缓存”。

解析点	解析步骤
类或接口	当前代码处在D类，根据未解析的符号引用N去解析类或接口C的直接引用，步骤如下： step1：C非数组类型，全限定名N传递给D的类加载器，去加载C，根据C的加载动作，也可能触发其他类的相关加载动作，一旦有任何异常，则解析失败； step2：C数组类型，若元素是引用对象，则根据step1进行加载解析；若元素是基本类型，则JVM自动生成代表该数组维度和元素类型； step3：确认D是否对C有访问权限，否则抛出java.lang.IllegalAccessError; step4：没有任何异常，则已形成有效的类或接口。
字段	当前代码处在D类，根据未解析的符号引用N去解析字段（字段所属的类或接口C），步骤如下： step1：首先解析D字段表class_index的索引CONSTANT_Class_info类进行解析（字段所在的类解析），后续对C进行字段搜索； step2：C本身包含了简单名称和描述符与目标字段匹配，返回该字段的直接引用，则查找结束； step3：否则，则查找C实现的接口和其父接口，从下往上递归搜索，有匹配，则查找结束； step4：否则，若C不是Object类，则查找C的父类，从下往上递归搜索，有匹配，则查找结束； step5：否则，查找失败，则抛出java.lang.NoSuchFieldError; step6：查找成功后，D是否对该字段有访问权限，否则抛出：java.lang.IllegalAccessError。
类方法	当前代码处在D类，根据未解析的符号引用N去解析方法（方法所属的类C），步骤如下： step1：首先解析D方法表class_index的索引CONSTANT_Class_info类进行解析（字段所在的类解析），若C是一个接口（与接口方法相反），则抛出：java.lang.IncompatibleClassChangeError； step2：在类C本身包含了简单名称和描述符与目标方法匹配，返回该方法的直接引用，则查找结束； step3：否则，若C不是Object类，则查找C的父类，从下往上递归搜索，有匹配，则查找结束； step4：否则，则查找C实现的接口和其父接口，从下往上递归搜索，有匹配说明C是个抽象类，则抛出：java.lang.AbstractMethodError； step5：否则，查找失败，则抛出java.lang.NoSuchMethodError； step6：查找成功后，是否对该方法有访问权限，否则抛出：java.lang.IllegalAccessError。
接口方法	当前代码处在D类，根据未解析的符号引用N去解析方法（方法所属的接口C），步骤如下： step1：首先解析D方法表class_index的索引CONSTANT_Class_info类进行解析（字段所在的类解析），若C是一个类（与类方法相反），则抛出：java.lang.IncompatibleClassChangeError； step2：在接口C本身包含了简单名称和描述符与目标方法匹配，返回该方法的直接引用，则查找结束； step3：否则，则查找C的父接口，从下往上递归搜索直至Object类（接口方法包含Object类中方法），有匹配，则查找结束； step4：否则，则查找C实现的接口和其父接口，从下往上递归搜索，若不同的父接口中有多个匹配的方法时，返回其中一个方法，则查找结束； step5：否则，查找失败，则抛出java.lang.NoSuchMethodError。
注意： a.JDK9之前除了接口方法（public修饰）无需进行访问权限校验，其他查找结束后都要进行访问权限校验，不通过则抛出：java.lang.IllegalAccessError；JDK9之后增加了模块化访问权限； b.类方法和接口方法存储的地方不同：类方法CONSTANT_Methodref_info、接口方法CONSTANT_InterfaceMethodref_info。

5. 初始化（Initialization）

初始化（Initialization）目的是执行类构造器<clinit>()方法的过程。类初始化<clinit>()在编译期自动生成，且自动收集类变量并赋值和静态语句块的语句合并产生。

注意：类构造器<clinit>()方法，先隐式调用父类该方法；而实例构造器<init>()方法，则显式调用父类构造器。

二、类加载时机

1. 主动引用（引用时主动初始化）

主动引用是引用时主动初始化，有且只有6种需立即初始化，如下图所示。

2. 被动引用（引用时不触发初始化）

被动引用是引用时不触发初始化，如下三种情况：

1)：第一种被动引用

package com.cmmon.instance.classLoad;

/**
 * @author tcm
 * @version 1.0.0
 * @description 被动引用：引用时不触发初始化 —— 子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
 * @date 2023/5/18 10:22
 **/
public class NotInitialization {

    /**
     * 静态字段时，只有直接定义这个字段的类才会被初始化
     * 因此：通过子类来引用父类定义的静态字段，则只会初始化父类而不初始化子类
     *
     * 添加参数：-XX:+TraceClassLoading会导致子类加载
     * [Loaded com.cmmon.instance.classLoad.SuperClass from file:/E:/idea%20project/instance-test/target/test-classes/]
     * [Loaded com.cmmon.instance.classLoad.SubClass from file:/E:/idea%20project/instance-test/target/test-classes/]
     */
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
        /*
            结果：并没有初始化子类SubClass
            SuperClass init!
            1234
         */
    }

}
class SuperClass {

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

    public static int value = 1234;

}

class SubClass extends SuperClass {

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

}

2)：第二种被动引用

package com.cmmon.instance.classLoad;

/**
 * @author tcm
 * @version 1.0.0
 * @description 被动引用：引用时不触发初始化 —— 数组来引用类，不会导致该类的初始化
 * @date 2023/5/18 11:40
 **/
public class NotInitialization2 {

    /**
     * 通过数组来引用类，不会导致该类的初始化
     */
    public static void main(String[] args) {
        SuperClass2[] sca = new SuperClass2[10];
        /*
            没有输出：SuperClass init!
         */
    }

}

class SuperClass2 {

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

    public static int value = 1234;

}

3)：第三种被动引用

package com.cmmon.instance.classLoad;

/**
 * @author tcm
 * @version 1.0.0
 * @description 被动引用：引用时不触发初始化 —— 常量在编译阶段会加入到调用类的常量池中，不会导致常量所在的类初始化
 * @date 2023/5/18 17:33
 **/
public class NotInitialization3 {

    /**
     * 编译阶段通过常量传播优化后，常量直接存入到调用类的常量池中，不会导致常量所在的类初始化
     * 因此：NotInitialization3与ConstClass两个类在编译成Class文件后，则不存在任何联系了
     */
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstClass.HELLO_WORLD);
        /*
            没有输出：ConstClass init!
         */
    }

}

class ConstClass {

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

    public static final String HELLO_WORLD = "Hello World";

}

三、类加载器

1. 加载器类型

类加载过程中加载（Loading）阶段是由类加载器完成，如下表所示根据不同层面对类加载器进行分类。注意：类的唯一性由类全限定名且类加载器共同决定，每个类加载器都一个独立的类名称空间。

分类层面

分类

特点

JVM角度分类

启动类加载器

（Bootstrap ClassLoader）

1.JVM自身的一部分；

2.由C++实现。

其他类加载器

1.全部继承java.lang.ClassLoader；

2.由Java语言实现。

三层类加载器

(JDK8与之前版本)

启动类加载器

（Bootstrap ClassLoader）

1.负责加载${JAVA_HOME}/lib目录的类库；

2.该加载器被Java程序直接引用，JVM自身的一部分。

扩展类加载器

（Extension ClassLoader）

1.负责加载${JAVA_HOME}/lib/ext目录的类库；

2.由sun.misc.Launcher.ExtClassLoader类实现；

应用程序类加载器

（Application ClassLoader）

1.负责加载用户类路径classpath路径下的所有类库；

2.由sun.misc.Launcher.AppClassLoader类实现；

自定义类加载器

（User ClassLoader）

用户自定义类加载器

模块化类加载器

(JDK9)

与JDK8有些变动

1.平台类加载器（PlatForm ClassLoader）代替扩展类加载器；

2.取消${JAVA_HOME}/lib/ext、${JAVA_HOME}/jre目录；

3.平台类加载器和应用程序类加载器不在继承java.net.URLClassLoader，而继承BuiltinClassLoader。

注意：

a.类的唯一性：类的全限定名 + 类加载器，每个类加载器都一个独立的类名称空间；

b.类加载器之间的层次关系，称为：“双亲委派模型”（Parents Delegation Model）；

c.父类加载器是否为null，来引导类加载器达到双亲委派，为null则使用启动类加载器。

如下代码所示，比较两个类是否相等：是否同一个全限定名的类 + 类加载器相同。

package com.cmmon.instance.classLoad;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

/**
 * @author tcm
 * @version 1.0.0
 * @description 每个类加载器拥有一个独立的类名称空间
 * @date 2023/5/24 14:17
 **/
public class ClassLoadNamespace {

    /**
     * 比较两个类是否相等：是否同一个全限定名的类 + 类加载器相同
     * 每个类加载器拥有一个独立的类名称空间
     * 两个类的“相等”：类的Class对象的哈希码、equals()、isAssignableFrom()、instanceof
     */
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 自定义类加载器
        ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
                    InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                    if (is == null) {
                        return super.loadClass(name);
                    }

                    byte[] b = new byte[is.available()];
                    is.read(b);
                    return defineClass(name, b, 0, b.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        };

        Object object = myLoader.loadClass("com.cmmon.instance.classLoad.ClassLoadNamespace").newInstance();
        System.out.println(object.getClass());  // class com.cmmon.instance.classLoad.ClassLoadNamespace
        System.out.println(object instanceof com.cmmon.instance.classLoad.ClassLoadNamespace); // false
        System.out.println(object.getClass().getClassLoader()); // com.cmmon.instance.classLoad.ClassLoadNamespace$1@7b3300e5

        Object object2 = new ClassLoadNamespace();
        System.out.println(object2.getClass()); // class com.cmmon.instance.classLoad.ClassLoadNamespace
        System.out.println(object2 instanceof com.cmmon.instance.classLoad.ClassLoadNamespace); // true
        System.out.println(object2.getClass().getClassLoader()); // sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
    }

}

2. 双亲委派模型

如下图所示，双亲委派执行过程及其优点。JDK9维持三层类加载器和双亲委派，变动了委派给父类时，先判定该类是否归属到哪一个模块中，如有则委派给负责该模块的加载器。

父类加载器是否为null，来引导类加载器达到双亲委派，为null则使用启动类加载器。核心方法为java.lang.ClassLoader#loadClass(java.lang.String, boolean)，如下源代码所示。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
	throws ClassNotFoundException
{
	synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
		// First, check if the class has already been loaded
		Class<?> c = findLoadedClass(name);
		if (c == null) {
			long t0 = System.nanoTime();
			try {
				if (parent != null) {
					c = parent.loadClass(name, false);
				} else {
					c = findBootstrapClassOrNull(name);
				}
			} catch (ClassNotFoundException e) {
				// ClassNotFoundException thrown if class not found
				// from the non-null parent class loader
			}

			if (c == null) {
				// If still not found, then invoke findClass in order
				// to find the class.
				long t1 = System.nanoTime();
				c = findClass(name);

				// this is the defining class loader; record the stats
				sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
				sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
				sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
			}
		}
		if (resolve) {
			resolveClass(c);
		}
		return c;
	}
}