JVM的類加載機制和應用

序言

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，JVM是一種用于計算設備的規范，它是一個虛構出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的。

引入Java語言虛擬機后，Java語言在不同平臺上運行時不需要重新編譯。Java語言使用Java虛擬機屏蔽了與具體平臺相關的信息，使得Java語言編譯程序只需生成在Java虛擬機上運行的目標代碼（字節碼），就可以在多種平臺上不加修改地運行。

1.JVM 類加載機制
JVM 類加載機制分為五個部分：加載，驗證，準備，解析，初始化，下面我們就分別來看一下這五個過程。

2..加載

加載是類加載過程中的一個階段，這個階段會在內存中生成一個代表這個類的 java.lang.Class 對象，作為方法區這個類的各種數據的入口。注意這里不一定非得要從一個 Class 文件獲取，這里既可以從 ZIP 包中讀取（比如從 jar 包和 war 包中讀取），也可以在運行時計算生成（動態代理），也可以由其它文件生成（比如將 JSP 文件轉換成對應的 Class 類）。

3.驗證

這一階段的主要目的是為了確保 Class 文件的字節流中包含的信息是否符合當前虛擬機的要求，并且不會危害虛擬機自身的安全。

4.準備

準備階段是正式為類變量分配內存并設置類變量的初始值階段，即在方法區中分配這些變量所使用的內存空間。注意這里所說的初始值概念，比如一個類變量定義為：

實際上變量 v 在準備階段過后的初始值為 0 而不是 8080，將 v 賦值為 8080 的 put static 指令是程序被編譯后，存放于類構造器<client>方法之中。

但是注意如果聲明為：

在編譯階段會為 v 生成 ConstantValue 屬性，在準備階段虛擬機會根據 ConstantValue 屬性將 v賦值為 8080。

5.解析

解析階段是指虛擬機將常量池中的符號引用替換為直接引用的過程。符號引用就是 class 文件中的：

1. CONSTANT_Class_info

2. CONSTANT_Field_info

3. CONSTANT_Method_info

等類型的常量。

6. 符號引用

符號引用與虛擬機實現的布局無關，引用的目標并不一定要已經加載到內存中。各種虛擬機實現的內存布局可以各不相同，但是它們能接受的符號引用必須是一致的，因為符號引用的字面量形式明確定義在 Java 虛擬機規范的 Class 文件格式中。

7. 直接引用

直接引用可以是指向目標的指針，相對偏移量或是一個能間接定位到目標的句柄。如果有了直接引用，那引用的目標必定已經在內存中存在。

8.初始化

初始化階段是類加載最后一個階段，前面的類加載階段之后，除了在加載階段可以自定義類加載器以外，其它操作都由 JVM 主導。到了初始階段，才開始真正執行類中定義的 Java 程序代碼。

9. 類構造器<client>

初始化階段是執行類構造器<client>方法的過程。<client>方法是由編譯器自動收集類中的類變量的賦值操作和靜態語句塊中的語句合并而成的。虛擬機會保證子<client>方法執行之前，父類的<client>方法已經執行完畢，如果一個類中沒有對靜態變量賦值也沒有靜態語句塊，那么編譯器可以不為這個類生成<client>()方法。

注意以下幾種情況不會執行類初始化：

1. 通過子類引用父類的靜態字段，只會觸發父類的初始化，而不會觸發子類的初始化。

2. 定義對象數組，不會觸發該類的初始化。

3. 常量在編譯期間會存入調用類的常量池中，本質上并沒有直接引用定義常量的類，不會觸發定義常量所在的類。

4. 通過類名獲取 Class 對象，不會觸發類的初始化。

5. 通過 Class.forName 加載指定類時，如果指定參數 initialize 為 false 時，也不會觸發類初始化，其實這個參數是告訴虛擬機，是否要對類進行初始化。

6. 通過 ClassLoader 默認的 loadClass 方法，也不會觸發初始化動作。

10. 類加載器

虛擬機設計團隊把加載動作放到 JVM 外部實現，以便讓應用程序決定如何獲取所需的類，JVM 提供了 3 種類加載器：

11. 啟動類加載器(Bootstrap ClassLoader)

1. 負責加載 JAVA_HOME\lib 目錄中的，或通過-Xbootclasspath 參數指定路徑中的，且被虛擬機認可（按文件名識別，如 rt.jar）的類。

12. 擴展類加載器(Extension ClassLoader)

1. 負責加載 JAVA_HOME\lib\ext 目錄中的，或通過 java.ext.dirs 系統變量指定路徑中的類庫。

13. 應用程序類加載器(Application ClassLoader)：

1. 負責加載用戶路徑（classpath）上的類庫。

JVM 通過雙親委派模型進行類的加載，當然我們也可以通過繼承 java.lang.ClassLoader實現自定義的類加載器。

14. 雙親委派

當一個類收到了類加載請求，他首先不會嘗試自己去加載這個類，而是把這個請求委派給父類去完成，每一個層次類加載器都是如此，因此所有的加載請求都應該傳送到啟動類加載其中，只有當父類加載器反饋自己無法完成這個請求的時候（在它的加載路徑下沒有找到所需加載的Class），子類加載器才會嘗試自己去加載。

采用雙親委派的一個好處是比如加載位于 rt.jar 包中的類 java.lang.Object，不管是哪個加載器加載這個類，最終都是委托給頂層的啟動類加載器進行加載，這樣就保證了使用不同的類加載器最終得到的都是同樣一個 Object 對象。

15. OSGI（動態模型系統）

OSGi(Open Service Gateway Initiative)，是面向 Java 的動態模型系統，是 Java 動態化模塊化系統的一系列規范。

16. 動態改變構造

OSGi 服務平臺提供在多種網絡設備上無需重啟的動態改變構造的功能。為了最小化耦合度和促使這些耦合度可管理，OSGi 技術提供一種面向服務的架構，它能使這些組件動態地發現對方。

17. 模塊化編程與熱插拔

OSGi 旨在為實現 Java 程序的模塊化編程提供基礎條件，基于 OSGi 的程序很可能可以實現模塊級的熱插拔功能，當程序升級更新時，可以只停用、重新安裝然后啟動程序的其中一部分，這對企業級程序開發來說是非常具有誘惑力的特性。OSGi 描繪了一個很美好的模塊化開發目標，而且定義了實現這個目標的所需要服務與架構，同時也有成熟的框架進行實現支持。但并非所有的應用都適合采用 OSGi 作為基礎架構，它在提供強大功能同時，也引入了額外的復雜度，因為它不遵守了類加載的雙親委托模型。