深入java虛擬機學習 -- 類的加載機制

當看到“類的加載機制”，肯定很多人都在想我平時也不接觸啊，工作中無非就是寫代碼，不會了可以百度，至於類，jvm是怎么加載的我一點也不需要關心。在我剛開始工作的時候也覺得這些底層的內容距離我還很遙遠，根本不用關系，可是隨着做開發的時間越來越長，慢慢的已經意識到虛擬機相關要領的重要性。一直想寫篇和虛擬機相關的文章，無奈之前由於各種原因一直沒寫，年初工作還不是很忙，抽時間來慢慢完善jvm的內容。

好了，不說廢話了，大家一起來看下代碼吧，都來猜猜下面的兩份代碼的執行結果是什么？

class Singleton
{
    private static Singleton singleton = new Singleton();
    public static int counter1;
    public static int counter2=0;

    private Singleton(){
        counter1++;
        counter2++;
    }

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

public class Demo
{
   public static void main(String[] args){
       Singleton singleton=Singleton.getInstance();
       System.out.println("counter1:"+singleton.counter1);
       System.out.println("counter2:"+singleton.counter2);
    }
}

class Singleton
{
    public static int counter1;
    public static int counter2=0;
    private static Singleton singleton = new Singleton();

    private Singleton(){
        counter1++;
        counter2++;
    }

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

public class Demo
{
   public static void main(String[] args){
       Singleton singleton=Singleton.getInstance();
       System.out.println("counter1:"+singleton.counter1);
       System.out.println("counter2:"+singleton.counter2);
    }
}

看到這樣的結果，不知道你有沒有意外呢？看完我的這幾篇文章后聰明的你一看就明白是怎么回事了。

java虛擬機與程序的生命周期

　　- 執行了System.exit()方法

　　- 程序正常執行結束

　　- 程序在執行過程中遇到了異常或錯誤而終止

　　- 由於操作系統出現錯誤導致java虛擬機進程終止

在如上幾種情況下，java虛擬機將結束自己的生命周期

類的生命周期

類從被加載到虛擬機內存中開始，到卸載出內存為止，它的整個生命周期包括：加載（Loading）、驗證（Verification）、准備(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸載(Unloading)7個階段。其中准備、驗證、解析3個部分統稱為連接（Linking）。如圖所示。

加載、驗證、准備、初始化和卸載這5個階段的順序是確定的，類的加載過程必須按照這種順序按部就班地開始，而解析階段則不一定：它在某些情況下可以在初始化階段之后再開始，這是為了支持Java語言的運行時綁定（也稱為動態綁定或晚期綁定）。

加載

查找並加載類的二進制數據，加載是類加載過程中的第一個階段，在加載階段，虛擬機需要完成以下三件事情：

• 類的加載指的是將類的.class文件中的二進制數據讀取到內存中
• 將其放在運行時數據區的方法區內，
• 然后在堆區創建一個java.lang.Class對象，用來封裝類在方法區內的數據結構

 

類加載的最終產品書位於堆區中的Class對象

Class對象封裝了類在方法區內的數據結構，並像java程序員提供了訪問方法去內的數據結構的接口。

Java程序對類的使用方式可以分為兩種：

-主動使用（六種）

1，創建類的實例

2，訪問某個類或接口的靜態變量，或者對該靜態變量賦值

3，調用類的靜態方法

4，反射（Class.forName（“com.jack.test”））

5，初始化一個類的子類

6，Java虛擬機啟動時被標明為啟動類的類

-被動使用（除以上6種情況外，其他情況均為被動使用）

類加載器並不需要等到某個類被“首次主動使用”時再加載它，JVM規范允許類加載器在預料某個類將要被使用時就預先加載它，如果在預先加載的過程中遇到了.class文件缺失或存在錯誤，類加載器必須在程序首次主動使用該類時才報告錯誤（LinkageError錯誤），如果這個類一直沒有被程序主動使用，那么類加載器就不會報告錯誤。

加載.class文件的方式：

• 從本地系統中直接加載
• 通過網絡下載.class文件
• 從zip，jar等歸檔文件中加載.class文件
• 從專有數據庫中提取.class文件
• 將Java源文件動態編譯為.class文件

類加載器

不同的類加載器負責的組件不同，可分為2種類型

• 自定義類加載器（java.lang.classLoader的自來）
• java虛擬機自帶類加載器

java虛擬機自帶類加載器按類型又可分為三種類型：

• 啟動類加載器：Bootstrap ClassLoader    C/C++實現的  負責加載存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安裝目錄，下同)下，或被-Xbootclasspath參數指定的路徑中的，並且能被虛擬機識別的類庫（如rt.jar，所有的java.開頭的類均被Bootstrap ClassLoader加載）。啟動類加載器是無法被Java程序直接引用的。

• 擴展類加載器：Extension ClassLoader    使用java代碼實現 該加載器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實現，它負責加載JDK\jre\lib\ext目錄中，或者由java.ext.dirs系統變量指定的路徑中的所有類庫（如javax.開頭的類），開發者可以直接使用擴展類加載器。

• 應用程序類加載器：Application ClassLoader    使用java代碼實現 該類加載器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader來實現，它負責加載用戶類路徑（ClassPath）所指定的類，開發者可以直接使用該類加載器，如果應用程序中沒有自定義過自己的類加載器，一般情況下這個就是程序中默認的類加載器。

雙親委派模型

雙親委派模型的工作流程是：如果一個類加載器收到了類加載的請求，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把請求委托給父加載器去完成，依次向上，因此，所有的類加載請求最終都應該被傳遞到頂層的啟動類加載器中，只有當父加載器在它的搜索范圍中沒有找到所需的類時，即無法完成該加載，子加載器才會嘗試自己去加載該類。

雙親委派機制:

1. 當AppClassLoader加載一個class時，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把類加載請求委派給父類加載器ExtClassLoader去完成。
2. 當ExtClassLoader加載一個class時，它首先也不會自己去嘗試加載這個類，而是把類加載請求委派給BootStrapClassLoader去完成。
3. 如果BootStrapClassLoader加載失敗（例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到該class），會使用ExtClassLoader來嘗試加載；
4. 若ExtClassLoader也加載失敗，則會使用AppClassLoader來加載，如果AppClassLoader也加載失敗，則會報出異常ClassNotFoundException。

雙親委派模型意義：

• 系統類防止內存中出現多份同樣的字節碼
• 保證Java程序安全穩定運行

層次關系如下圖：

 

驗證

類被加載后，就進入連接階段。連接就是將已經讀取到內存的類的二進制數據合並到虛擬機的運行時環境中去

准備

在准備階段，Java虛擬機為類的靜態變量分配內存，並設置默認的初始值，這些內存都將在方法區中分配。

對於該階段有以下幾點需要注意：

• 這時候進行內存分配的僅包括類變量（static），而不包括實例變量，實例變量會在對象實例化時隨着對象一塊分配在Java堆中。
• 這里所設置的初始值通常情況下是數據類型默認的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代碼中被顯式地賦予的值。

例如對一下Sample類，在准備階段，將為int類型的靜態變量a分配4個字節的內存控件，並賦予默認值0，為long類型的靜態變量b分配8個字節的內存控件，並賦予默認值0；

public class Sample{
    private static int a=1;
    private static int b;

    static{
       b=2；
    }
}

解析

在解析階段，Java虛擬機會把類的二進制數據中的符號引用替換為直接引用。例如在Worker類的gotoWork()方法中會引用Car類的run()方法。

public void gotoWork(){
   car.run(); //這段代碼在Worker類的二進制數據中表示為符號引用
}

在Worker類的二進制數據中，包含了一個對Car類的run()方法的符號引用，它由run()方法的全名和相關描述符組成。在解析階段，Java虛擬機會把這個符號引用替換為一個指針，該指針指向Car類的run()方法區內的內存位置，這個指針就是直接引用。

初始化

類初始化階段是類加載過程的最后一步，到了初始化階段，才真正開始執行類中定義的java程序代碼。在初始化階段，Java虛擬機執行類的初始化語句，為類的靜態變量 賦予正確的初始值。在程序中，靜態變量的初始化有兩種途徑：

• 在靜態變量的聲明處進行初始化
• 在靜態代碼庫中進行初始化

在如下代碼中，靜態變量a和b都被顯示初始化，而靜態變量c沒有被顯示初始化，它將保持默認值0；

public class Sample{
    private static int a=1;
    private static int b;
    private static int c;

    static{
       b=2；
    }
}

JVM初始化步驟：

1. 假如這個類還沒有被加載和連接，則程序先加載並連接該類
2. 假如該類的直接父類還沒有被初始化，則先初始化其直接父類
3. 假如類中有初始化語句，則系統依次執行這些初始化語句