JVM：虚拟机执行子程序-虚拟机类加载机制

本是古典何须时尚 2022-11-19 09:42 252阅读 0赞

> 本博客主要参考周志明老师的《深入理解Java虚拟机》第三版  
> 欢迎指出文章的不足之处；更多内容请点进[爱敲代码的小游子][Link 1]查看

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### 虚拟机类加载机制目录 ###

*   *  概述
     *  一、类加载的时机
     *   *   *  1、被动引用例子一
             *  2、被动引用例子二
             *  3、被动引用的例子之三
             *  4、接口的加载
     *  二、类加载的过程
     *   *  1、加载
         *   *  1、在加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情：
             *  2、获取定义类的二进制字节流方式：
             *  3、数组类的加载
             *  4、加载阶段结束后
         *  2、验证
         *   *  1.文件格式验证
             *  2.元数据验证
             *  3.字节码验证
             *  4.符号引用验证
         *  3、准备
         *  4、解析
         *   *  1、符号引用与直接引用
             *   *  1、符号引用：
                 *  2、直接引用：
             *  2、解析阶段发生的具体时间
             *  3、解析动作
             *   *  1.类或接口的解析
                 *  2.字段解析
                 *  3.方法解析
                 *  4.接口方法解析
         *  5、初始化
     *  3、类加载器
     *   *  1、类与类加载器
         *  2、双亲委派模型
         *   *  1）三层类加载器
             *   *  1、启动类加载器（Bootstrap Class Loader）
                 *  2、扩展类加载器（Extension Class Loader）
                 *  3、应用程序类加载器（Application Class Loader）
             *  2）双亲委派
             *  3）双亲委派模型的工作过程
             *  4）双亲委派带来的好处
             *  5）双亲委派模型的实现
             *  6）类加载的方式
         *  3、破坏双亲委派模型
     *  4、Java模块化系统
     *   *  1、模块化的兼容性
         *   *  1）模块路径
             *  2）模块化系统访问路径规则
             *  3）它本身面临的模块间的管理和兼容性问题
         *  2、模块化的类加载器
         *   *  1）模块化下的类加载器变动
             *  2）类加载的委派关系变动
             *  3）三个类加载器归属关系

## 概述 ##

> Java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，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。在Java语言里面，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的Java天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。

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## 一、类加载的时机 ##

> 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 、验证、准备、解析、初始化 、使用和卸载七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分统称为连接。

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1）遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型Java代码场景有：

1.  使用new关键字实例化对象的时候。
2.  读取或设置一个类型的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候。
3.  调用一个类型的静态方法的时候。

2）使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需 要先触发其初始化。

3）当初始化类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。

4）当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先 初始化这个主类。

5）当使用JDK 7新加入的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解 析结果为REF\_getStatic、REF\_putStatic、REF\_invokeStatic、REF\_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

6）当一个接口中定义了JDK 8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果有 这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

> 这六种场景中的行为称为对一个类型进行主动引用。除此之外，所有引用类型的方式都不会触发初始化，称为**被动引用**。

#### 1、被动引用例子一 ####

/** *被动使用类字段演示一： *通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化 */
    public class SuperClass { 
        static { 
            System.out.println("SuperClass init");
        }
        public static int value = 123;
    }
    
    /** *SuperClass的子类 */
    public class SubClass extends SuperClass{ 
        static { 
            System.out.println("SubClass init");
        }
    }
    
    /** * 非主动使用类字段演示 **/
    public class NotInitialization { 
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println(SubClass.value);
        }
    }

> 上述代码运行之后，只会输出“SuperClass init”，而不会输出“SubClass init”。

*  对于静态字段， 只有直接定义这个字段的类才会被初始化
 *  因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。
 *  至于是否要触发子类的加载和验证阶段取决于虚拟机的具体实现。
 *  对于HotSpot虚拟机来说，可通过\*-XX:+TraceClassLoading\*参数观察到此操作是会导致子类加载的。

![image.png][image.png 1]

#### 2、被动引用例子二 ####

/** * 被动使用类字段演示二： 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化 * @param args */
        public static void main(String[] args) { 
            SuperClass[] superClass = new SuperClass[10];
        }

> 发现没有输出“SuperClass init”

*  说明并没有触发类com.yky.classLoadingTime.SuperClass的初始化阶段。
 *  但是这段代码里面触发了 另一个名为类的初始化阶段，它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承于java.lang.Object的子类，创建动作由 字节码指令newarray触发。
 *  这个类代表了一个元素类型为com.yky.classLoadingTime.SuperClass的一维数组，数组中应有的属性和方法（用户可直接使用的只有被修饰为public的length属性和clone()方法）都实现在这个类里。
 *  Java语言中对数组的访问要比C/C++相对安全，很大程度上就是因为这个类包装了数组元素的访问，而C/C++中则是直接翻译为对数组指针的移动。
 *  在Java语言里，当检查到发生数组越界时会抛出java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常，避免了直接造成非法内存访问。

![image.png][image.png 2]

#### 3、被动引用的例子之三 ####

public class ConstClass { 
        /** * 被动使用类字段演示三： * 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上没有直接引用到定义常量的类， * 因此不会触发定义常量的类的初始化 * @param args */
        static { 
            System.out.println("ConstClass init");
        }
        public static final String HELLOWORLD = "hello world";
    }
    //非主动使用类字段演示
    public class NotInitialization { 
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
        }
    }

> 上述代码运行之后，只输出“hello world”，没有输出“ConstClass init”

*  这是因为虽然在Java源码中确实引用了ConstClass类的常量HELLOWORLD，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值“hello world”直接存储在NotInitialization类的常量池中以后NotInitialization对常量 ConstClass.HELLOWORLD的引用，实际都被转化为NotInitialization类对自身常量池的引用了。
 *  也就是说，实际上NotInitialization的Class文件之中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译成Class文件后就已不存在任何联系了。

#### 4、接口的加载 ####

*  接口的加载过程与类加载过程稍有不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口也有初始化过程， 这点与类是一致的，上面的代码都是用静态语句块`static{}`来输出初始化信息的接口中不能使用`static{}`语句块，但**编译器仍然会为接口生成`<clinit>()`类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量**。
 *  接口与类真正有所区别的是前面讲述的六种“有且仅有”需要触发初始化场景中的第三种： 当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是**一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化**。

## 二、类加载的过程 ##

### 1、加载 ###

![image.png][image.png 3]

#### 1、在加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情： ####

1.  通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
2.  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。
3.  在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

#### 2、获取定义类的二进制字节流方式： ####

*  从ZIP压缩包中读取

> 这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。

*  从网络中获取

> 这种场景最典型的应用就是Web Applet。

*  运行时计算生成

> 这种场景使用得最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用`ProxyGenerator.generateProxyClass()`来为特定接口生成形式为“\*$Proxy”的代理类的二进制字节流。

*  由其他文件生成

> 典型场景是JSP应用，由JSP文件生成对应的Class文件。

*  从数据库中读取

> 有些中间件服务器（如SAP Netweaver）可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。

*  可以从加密文件中获取

> 这是典型的防Class文件被反编译的保护措施，通过加载时解密Class文件来保障程序运行逻辑不被窥探。

#### 3、数组类的加载 ####

> 数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型最终还是要靠类加载器来完成加载

一个数组类（简称为C）创建过程遵循以下规则：

*  如果数组的组件类型（指的是数组去掉一个维度的类型）是引用类型，那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组C将被标识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上（一个类型必须与类加载器一起确定唯一性）。
 *  如果数组的组件类型不是引用类型（例如int\[\]数组的组件类型为int），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联。
 *  数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致，如果组件类型不是引用类型，它的数组类的可访问性将默认为public，可被所有的类和接口访问到。

#### 4、加载阶段结束后 ####

Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义。类型数据妥善安置在方法区之后，会在Java堆内存中实例化一个`java.lang.Class`类的对象， 这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口。

加载阶段与连接阶段的部分动作（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的一部分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

### 2、验证 ###

> 验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚 拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

![image.png][image.png 4]

**验证阶段分为四个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节 码验证和符号引用验证**。

#### 1.文件格式验证 ####

第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。

这一阶段可能包括下面这些验证点：

*  是否以魔数0xCAFEBABE开头。
 *  主、次版本号是否在当前Java虚拟机接受范围之内。
 *  常量池的常量中是否有不被支持的常量类型（检查常量tag标志）。
 *  指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量。
 *  CONSTANT\_Utf8\_info型的常量中是否有不符合UTF-8编码的数据。
 *  Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。

1.  该验证阶段的主要目的是**保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内**，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。
2.  **这阶段的验证是基于二进制字节流进行的**，只有通过了这个阶段的验证之后，这段字节流才被允许进入Java虚拟机内存的方法区中进行存储
3.  后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构上进行的，不会再直接读取、操作字节流了。

#### 2.元数据验证 ####

> 第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在与《Java语言规范》定义相悖的元数据信息。

这个阶段可能包括的验证点如下：

*  这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）。
 *  这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）。
 *  如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法。
 *  类中的字段、方法是否与父类产生矛盾。

#### 3.字节码验证 ####

第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是**通过数据流分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的**。在第二阶段对元数据信息中的数据类型校验完毕以后，这阶段就要对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为

*  保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现类似于“在操作 栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中”这样的情况。
 *  保证任何跳转指令都不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
 *  保证方法体中的类型转换总是有效的，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这是安全的，但是把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个数据类型，则是危险和不合法的。

#### 4.符号引用验证 ####

最后一个阶段的校验行为发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生。

**符号引用验证可以看作是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的各类信息进行匹配性校验**，通俗来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。本阶段通常需要校验下列内容：

*  符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。
 *  在指定类中是否存在符合方法的字段描述符及简单名称所描述的方法和字段。
 *  符号引用中的类、字段、方法的可访问性（`private、protected、public、<package>`）是否可被当前类访问。

符号引用验证的主要目的是**确保解析行为能正常执行**，如果无法通过符号引用验证，Java虚拟机 将会抛出一个`java.lang.IncompatibleClassChangeError`的子类异常，典型的如： `java.lang.IllegalAccessError`、`java.lang.NoSuchFieldError`、`java.lang.NoSuchMethodError`等。

> `-Xverify：none`参数可以关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

### 3、准备 ###

> 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

![image.png][image.png 5]

*  进行内存分配的仅包括类变量，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Java堆中。
 *  这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值

public static int value = 123;

value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时尚未开始执行任何Java方法，而把 value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器()方法之中，所以把value赋值为123的动作要到类的初始化阶段才会被执行。

![image.png][image.png 6]

*  Java中所有基本数据类型的零值

![image.png][image.png 7]

*  如果类字段 的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量值就会被初始化为ConstantValue属性所指定的初始值

假设上面类变量value的定义修改为：

public static final int value = 123;

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### 4、解析 ###

> 解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程

![image.png][image.png 8]

#### 1、符号引用与直接引用 ####

##### 1、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是已经加载到虚拟机内存当中的内容。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同， 但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在《Java虚拟机规 范》的Class文件格式中。

##### 2、直接引用： #####

> 直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。

*  直接引用是和虚拟机实现的内存布局直接相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在虚拟机的内存中存在。

#### 2、解析阶段发生的具体时间 ####

*  虚拟机实现可以根据需要来自行判断，到底是在类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析，还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它。
 *  除invokedynamic指令以外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存，譬如在运行时直接引用常量池中的记录，并把常量标识为已解析状态，从而避免解析动作重复进行。
 *  当碰到某个前面已经由invokedynamic指令触发过解析的符号引用时，并不意味着这个解析结果对于其他invokedynamic指令也同样生效。因为invokedynamic指令对应的引用称为*动态调用点限定符*

#### 3、解析动作 ####

> 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这7 类符号引用进行

##### 1.类或接口的解析 #####

> 假设当前代码所处的类为D，如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用

那虚拟机完成整个解析的过程需要包括以下3个步骤：

1.  如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就将宣告失败。
2.  如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类似“\[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第一点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成一个代表该数组维度和元素的数组对象。
3.  如果上面两步没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

*  JDK 9引入了模块化以后，我们还必须检查模块间的访问权限。
    
     *  被访问类C是public的，并且与访问类D处于同一个模块。
     *  被访问类C是public的，不与访问类D处于同一个模块，但是被访问类C的模块允许被访问类D的模块进行访问。
     *  被访问类C不是public的，但是它与访问类D处于同一个包中。

##### 2.字段解析 #####

要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内class\_index项中索引的CONSTANT\_Class\_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。

如果解析成功完成，那把这个字段所属的类或接口用C表示

**对C进行后续字段的搜索**：

1.  如果C本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
2.  否则，如果在C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找 结束。
3.  否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
4.  否则，查找失败，抛出`java.lang.NoSuchFieldError`异常。

> 如果查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，将抛出`java.lang.IllegalAccessError`异常。

![image.png][image.png 9]

##### 3.方法解析 #####

方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也是需要先解析出方法表的class\_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，那么我们依然用C表示这个类

接下来虚拟机将会按 照如下步骤进行后续的方法搜索：

1.  由于Class文件格式中类的方法和接口的方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类的方法表中发现class\_index中索引的C是个接口的话，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError 异常。
2.  如果通过了第一步，在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
3.  否则，在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。 4
4.  否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，这时候查找结束，抛出 java.lang.AbstractMethodError异常。
5.  否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。

> 最后，如果查找过程成功返回了直接引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不具备对此方法的访问权限，将抛出`java.lang.IllegalAccessError`异常。

##### 4.接口方法解析 #####

接口方法也是需要先解析出接口方法表的class\_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引 用，如果解析成功，依然用C表示这个接口，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索：

1.  与类的方法解析相反，如果在接口方法表中发现class\_index中的索引C是个类而不是接口，那么就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
2.  否则，在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
3.  否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类（接口方法的查找范围也会包括Object类中的方法）为止，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方 法的直接引用，查找结束。
4.  对于规则3，由于Java的接口允许多重继承，如果C的不同父接口中存有多个简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，那将会从这多个方法中返回其中一个并结束查找，《Java虚拟机规范》中并没有进一步规则约束应该返回哪一个接口方法。但与之前字段查找类似地，不同发行商实现的Javac编译器有可能会按照更严格的约束拒绝编译这种代码来避免不确定性。
5.  否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

> 从JDK 9起，接口方法的访问也完全有可能因访问权限控制而出现java.lang.IllegalAccessError异常

### 5、初始化 ###

> 直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程 序。

在初始化阶段，则会根据程序员通 过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。我们也可以从另外一种更直接的形式来表达：初始化阶段就是执行类构造器()方法的过程。

*  ()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，静态语句块中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

![image.png][image.png 10]

*  `<clinit>()`方法与类的构造函数不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的`<clinit>()`方法执行前，父类的`<clinit>()`方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的`<clinit>()`方法的类型肯定是`java.lang.Object`。
 *  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

![3b95b0a3207389db149a40a25c0f48f2.png][]

*  `<clinit>()`方法对于类或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成`<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()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，因为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。此外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的`<clinit>()`方法。
 *  Java虚拟机必须保证一个类的`<clinit>()`方法在多线程环境中被正确地加锁同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有其中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，直到活动线程执行完毕`<clinit>()`方法。如果在一个类的`<clinit>()`方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

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();
        }

D:\JAVA\develop\jdk-1.8\bin\java.exe -javaagent:C:\Users\ASUS\AppData\Local\JetBrains\Toolbox\apps\IDEA-U\ch-0\203.6682.168\lib\idea_rt.jar=63399:C:\Users\ASUS\AppData\Local\JetBrains\Toolbox\apps\IDEA-U\ch-0\203.6682.168\bin -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\charsets.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\deploy.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\ext\cldrdata.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\ext\dnsns.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\ext\jaccess.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\ext\jfxrt.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\ext\localedata.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\ext\nashorn.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\ext\sunec.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\ext\zipfs.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\javaws.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\jce.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\jfr.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\jfxswt.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\jsse.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\management-agent.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\plugin.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\resources.jar;
    D:\JAVA\develop\jdk-1.8\jre\lib\rt.jar;
    D:\springbootproject\jdk8demo\out\production\constantPool com.yky.classLoadingTime.NotInitialization
    Thread[Thread-1,5,main]start
    Thread[Thread-0,5,main]start
    Thread[Thread-1,5,main]init DeadLoopClass

## 3、类加载器 ##

> Java虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节 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的类。实现这个动作的代码被称为“类加载器”（Class Loader）。

![image.png][image.png 11]

### 1、类与类加载器 ###

> 对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。

*  比较两个类是否“相 等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义

public class NotInitialization { 
    
    
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            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 ClassNotFoundException(name);
                    }
                }
            };
            Object obj = myLoader.loadClass("com.yky.classLoadingTime.NotInitialization").newInstance();
            System.out.println(obj.getClass());
            System.out.println(obj instanceof com.yky.classLoadingTime.NotInitialization);
        }
    }

**运行结果**：

![088718935b8cf79aeeccb648a27c442a.png][]

**原因**：

这是因为Java虚拟机中同时存在了两个`ClassLoaderTest`类，一个是由虚拟机的应用程序类加载器所加载的，另外一个是由我们自定义的类加载器加载的，虽然它们都来自同一 个Class文件，但在Java虚拟机中仍然是两个互相独立的类，做对象所属类型检查时的结果自然为false。

### 2、双亲委派模型 ###

> 三层类加载器、双亲委派的类加载架构

#### 1）三层类加载器 ####

##### 1、启动类加载器（Bootstrap Class Loader） #####

*  这个类加载器负责加载存放在 <JAVA\_HOME>\\lib目录，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的，而且是Java虚拟机能够识别的（按照文件名识别，如rt.jar、tools.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机的内存中。
 *  启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时， 如果需要把加载请求委派给引导类加载器去处理，那直接使用null代替即可

public ClassLoader getClassLoader() { 
            ClassLoader cl = getClassLoader0();
            if (cl == null)
                return null;
            SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
            if (sm != null) { 
                ClassLoader.checkClassLoaderPermission(cl, Reflection.getCallerClass());
            }
            return cl;
        }
        static void checkClassLoaderPermission(ClassLoader cl, Class<?> caller) { 
            SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
            if (sm != null) { 
                // caller can be null if the VM is requesting it
                ClassLoader ccl = getClassLoader(caller);
                if (needsClassLoaderPermissionCheck(ccl, cl)) { 
                    sm.checkPermission(SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);
                }
            }
        }

##### 2、扩展类加载器（Extension Class Loader） #####

> 这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 中以Java代码的形式实现的。它负责加载<JAVA\_HOME>\\lib\\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。

##### 3、应用程序类加载器（Application Class Loader） #####

*  这个类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以有些场合中也称它为“**系统类加载器**”。
 *  它负责加载用户类路径 （ClassPath）上所有的类库，开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。
 *  如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

> JDK 9之前的Java应用都是由这三种类加载器互相配合来完成加载的，还可以加入自定义的类加载器来进行拓展，典型的如增加除了磁盘位置之外的Class文件来源，或者通过类加载器实现类的隔离、重载等功能。

![bf69a90857971919c2b1beb28f345eea.png][]

#### 2）双亲委派 ####

> 图中展示的各种类加载器之间的层次关系被称为类加载器的“双亲委派模型（Parents Delegation Model）”。

*  双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应有自己的父类加载 器。
 *  通常使用 组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。

#### 3）双亲委派模型的工作过程 ####

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，因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载。

#### 4）双亲委派带来的好处 ####

**Java中的类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系**。

*  **避免重复加载**；例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类 在程序的各种类加载器环境中都能够保证是同一个类。
 *  **更安全**；如果没有使用双亲委派模型，都由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己也编写了一个名为java.lang.Object的类，并放在程序的 ClassPath中，那系统中就会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无从保证，应用程序将会变得一片混乱。

#### 5）双亲委派模型的实现 ####

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException{ 
            synchronized (getClassLoadingLock(name)) { 
                // 首先检查这个类是否已经被加载过了
                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) { 
                        //如果父类抛出ClassNotFoundException说明父类无法完成类加载请求
                    }
                    if (c == null) { 
                        //如果父类加载器仍然无法加载时，按顺序调用findClass继续进行加载
                        long t1 = System.nanoTime();
                        c = findClass(name);
                        //这是定义类加载器；记录统计数据
                        sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                        sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                        sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                    }
                }
                if (resolve) { 
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }

**代码的逻辑**：

> 先检查请求加载的类型是否已经被加载若没有则调用父加载器的 loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。假如父类加载器加载失败，抛出ClassNotFoundException异常的话，才调用自己的findClass()方法尝试进行加载。

#### 6）类加载的方式 ####

1.  通过命令行启动应用时由JVM初始化加载含有main()方法的主类。
2.  通过Class.forName()方法动态加载，会默认执行初始化块（static\{\}），但是Class.forName(name,initialize,loader)中的initialze可指定是否要执行初始化块。
3.  通过ClassLoader.loadClass()方法动态加载，不会执行初始化块。

### 3、破坏双亲委派模型 ###

**双亲模型有个问题：父加载器无法向下识别子加载器加载的资源**。

*  如下证明 JDBC 是启动类加载器加载，但 mysql 驱动是应用类加载器。而 JDBC 运行时又需要去访问子类加载器加载的驱动，就破坏了该模型。

![image.png][image.png 12]

> JDK 自己为解决该问题，引入线程上下问类加载器，可以通过Thread的setContextClassLoader()进行设置

*  当为启动类加载器时，使用当前实际加载驱动类的类加载器

![image.png][image.png 13]

*  **热替换**

比如OSGI的模块化热部署，它的类加载器就不再是严格按照双亲委派模型，很多可能就在平级的类加载器中执行了。

OSGi实现模块化热部署的关键是它自定义的类加载器机制的实现，每一个程序模块（OSGi中称为 Bundle）都有一个自己的类加载器，当需要更换一个Bundle时，就把Bundle连同类加载器一起换掉以实 现代码的热替换。在OSGi环境下，类加载器不再双亲委派模型推荐的树状结构，而是进一步发展为更加复杂的网状结构，当收到类加载请求时，OSGi将按照下面的顺序进行类搜索：

1.  将以java.\*开头的类，委派给父类加载器加载
2.  否则，将委派列表名单内的类，委派给父类加载器加载
3.  否则，将Import列表中的类，委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载
4.  否则，查找当前Bundle的ClassPath，使用自己的类加载器加载
5.  否则，查找类是否在自己的Fragment Bundle中，如果在，则委派给Fragment Bundle的类加载器加载
6.  否则，查找Dynamic Import列表的Bundle，委派给对应Bundle的类加载器加载
7.  否则，类查找失败。

## 4、Java模块化系统 ##

![image.png][image.png 14]

JDK9开始引入，**目的：为了能够实现模块化的关键目标：可配置的封装隔离机制**。

可配置的封装隔离机制主要解决：

*  首先要解决JDK9之前基于类路径（ClassPath）来查找依赖的可靠性问题；
 *  还解决了原来类路径上跨JAR文件的public类型的可访问性问题。

JDK 9的模块不仅仅像之前的JAR包那样只是简单地充当代码的容器，除了代码外，Java的模块定义还包含以下内容：

*  依赖其他模块的列表。
 *  导出的包列表，即其他模块可以使用的列表。
 *  开放的包列表，即其他模块可反射访问模块的列表。
 *  使用的服务列表。
 *  提供服务的实现列表。

### 1、模块化的兼容性 ###

#### 1）模块路径 ####

> 为了使可配置的封装隔离机制能够兼容传统的类路径查找机制，JDK 9提出了“模块路径”（ModulePath）的概念。

*  某个类库到底是模块还是传统的JAR包，只取决于它存放在哪种路径上。
 *  只要是放在类路径上的JAR文件，无论其中是否包含模块化信息（是否包含了module-info.class文件），它都会被当作传统的JAR包来对待；
 *  相应地，只要放在模块路径上的JAR文件，即使没有使JMOD后缀，甚至说其中并不包含module-info.class文件，它也仍然会被当作一个模块来对待。

#### 2）模块化系统访问路径规则 ####

模块化系统将按照以下规则来保证使用传统类路径依赖的Java程序可以不经修改地直接运行在 JDK 9及以后的Java版本上：

*  **模块在模块路径的访问规则**：模块路径下的具名模块（Named Module）只能访问到它依赖定义中列明依赖的模块和包，匿名模块里所有的内容对具名模块来说都是不可见的，即具名模块看不见传统JAR包的内容。
 *  **JAR文件在类路径的访问规则**：所有类路径下的JAR文件及其他资源文件，都被视为自动打包在一个匿名模块（Unnamed Module）里，这个匿名模块几乎是没有任何隔离的，它可以看到和使用类路径上所有的包、JDK系统模块中所有的导出包，以及模块路径上所有模块中导出的包。
 *  **JAR文件在模块路径的访问规则**：如果把一个传统的、不包含模块定义的JAR文件放置到模块路径中，它就会变成一个自动模块（Automatic Module）。尽管不包含module-info.class，但自动模块将默认依赖于整个模块路径中的所有模块，因此可以访问到所有模块导出的包，自动模块也默认导出自己所有的包。

#### 3）它本身面临的模块间的管理和兼容性问题 ####

*  如果同一个模块发行了多个不同的版本，那只能由开发者在编译打包时人工选择好正确版本的模块来保证依赖的正确性。
 *  Java模块化系统目前不支持在模块定义中加入版本号来管理和约束依赖，本身也不支持多版本号的概念和版本选择功能。
 *  我们不论是在Java命令、Java类库的API抑或是《Java 虚拟机规范》定义的Class文件格式里都能轻易地找到证据，表明模块版本应是编译、加载、运行期间都可以使用的。譬如输入 `java --list-modules`，会得到明确带着版本号的模块列表：

java.base@13.0.2
    java.compiler@13.0.2
    java.datatransfer@13.0.2
    java.desktop@13.0.2
    java.instrument@13.0.2
    java.logging@13.0.2
    java.management@13.0.2
    java.management.rmi@13.0.2
    java.naming@13.0.2
    java.net.http@13.0.2
    ......

> OSGi – JPMS互操作性概念验证

![52c1f5d7763b2af667efe0b36243ac21.png][]

### 2、模块化的类加载器 ###

> 为了保证兼容性，JDK 9并没有从根本上动摇从JDK 1.2以来运行了二十年之久的三层类加载器架构以及双亲委派模型。

#### 1）模块化下的类加载器变动 ####

模块化下的类加载器仍然发生了一些应该被注意到变动，主要包括以下几个方面：

*  扩展类加载器（Extension Class Loader）被平台类加载器（Platform Class Loader）取代
 *  平台类加载器和应用程序类加载器都不再派生自`java.net.URLClassLoader`
 *  现在启动类加载器、平台类加载器、应用程序类加载器全都继承于`jdk.internal.loader.BuiltinClassLoader`

#### 2）类加载的委派关系变动 ####

> **JDK9中虽然仍然维持着三层类加载器和双亲委派的架构，但类加载的委派关系也发生了变动**。

当平台及应用程序类加载器收到类加载请求，在委派给父加载器加载前，要先判断该类是否能够归属到某一个系统模块中，如果可以找到这样的归属关系，就要优先委派给负责那个模块的加载器完成加载，也许这可以算是对双亲委派的第四次破坏。

![3ee6ab3197d67891898634dcd4d022c6.png][]

#### 3）三个类加载器归属关系 ####

> **在Java模块化系统明确规定了三个类加载器负责各自加载的模块，即前面所说的归属关系**

*  启动类加载器负责加载的模块：

java.base                            java.datatransfer 
    java.desktop                         java.instrument 
    java.logging                         java.management
    java.management.rmi                  java.naming 
    java.prefs                           java.rmi
    java.security.sasl                   java.xml
    jdk.httpserver                       jdk.internal.vm.ci
    jdk.management                       jdk.management.agent 
    jdk.naming.rmi                       jdk.net 
    jdk.unsupported                      jdk.sctp

*  平台类加载器负责加载的模块：

java.activation*                        java.compiler* 
    java.scripting                          java.se
    java.se.ee                              java.corba*
    java.security.jgss                      java.smartcardio 
    java.sql.rowset                         java.xml.bind* 
    java.xml.crypto                         java.xml.ws*
    java.xml.ws.annotation*                 java.transaction*
    jdk.accessibility                       jdk.charsets
    jdk.crypto.cryptoki                     jdk.crypto.ec 
    jdk.dynalink                            jdk.incubator.httpclient 
    jdk.internal.vm.compiler*               jdk.jsobject 
    jdk.localedata                          jdk.naming.dns
    jdk.scripting.nashorn                   jdk.security.auth 
    jdk.security.jgss                       jdk.xml.dom
    jdk.zipfs                               java.sql

*  应用程序类加载器负责加载的模块：

jdk.aot                      jdk.attach
    jdk.compiler                 jdk.editpad
    jdk.hotspot.agent            jdk.internal.ed
    jdk.internal.jvmstat         jdk.internal.le 
    jdk.internal.opt             jdk.jartool 
    jdk.javadoc                  jdk.jcmd
    jdk.jconsole                 jdk.jdeps 
    jdk.jdi                      jdk.jdwp.agent 
    jdk.jlink                    jdk.jshell 
    jdk.jstatd                   jdk.pack
    jdk.policytool               jdk.rmic
    jdk.scripting.nashorn.shell  jdk.xml.bind*
    jdk.xml.ws*

[Link 1]: https://blog.csdn.net/qq_44895397
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODk1Mzk3_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221119/3feb62e57ac141dd8385554a87c38dc6.png
[5174a1e8d6091ae194c04e59b3a72594.png]: /images/20221119/559f37955e974f2ca7437b28d9f05dc4.png
[image.png]: /images/20221119/8918aa2182b247f8a5e64a47eaacbcdf.png
[image.png 1]: /images/20221119/5dc053b2b657439db22299d1d83e9adc.png
[image.png 2]: /images/20221119/7f527e51c83744d8a2bcb5e132fdff10.png
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