JVM学习笔记三：JVM类加载机制

概述

Class文件最终需要加载到虚拟机中之后才能运行和使用。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，这就是虚拟机的类加载机制。

类加载过程

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载 7个阶段。其中验证、准备、解析部分统称为连接。七个阶段发生顺序如下：

java中，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。加载、验证、准备、初始化、卸载这5个阶段的顺序是确定的，类加载必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：在某种情况下可以在初始化阶段之后再开始。

加载

加载的时机

java虚拟机规范中并没有进行强制约束，这点是由虚拟机具体的实现来自由把握。

加载的过程

1. 通过类的全限定名获取定义此类的二进制字节流；
2. 将字节流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Java堆中生成Java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口

需要注意的是对于数组类而言，本身并不通过类加载器创建，而是由java虚拟机直接创建。加载阶段与连接阶段的部分内容是交叉进行的。

验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包括的信息符合当前虚拟机的要求。

从整体上而言，验证阶段大概上完成了4个阶段的验证动作：
1. 文件格式的验证
2. 元数据验证
3. 字节码验证
4. 符号引用验证

文件格式验证

第一阶段验证字节流是否符合Class文件格式的规范，验证点有：

• 是否以魔数0xCAFFBABE开头
• 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围内
• 检查常量tag标识
  ……

该阶段主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储与方法区之内。这个阶段是基于二进制字节流进行的，只有通过这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面3个验证阶段全都是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。

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效验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。验证点如下：

• 这个类是否有父类
• 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类
• 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（覆盖了父类的final字段，不符合规则的方法重载）

字节码验证

主要目的是通过数据流和控制流分析，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做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行校验，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事件。

符号引用验证

最后一个阶段的校验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——解析阶段发生。
符号引用验证的目的是确保解析能正常执行，如果无法通过符号引用验证，那么将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangError异常的子类。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存将在方法区中进行分配。

这时候进行内存分配的仅包括被static修饰的变量，而不包括实例变量，其次初始值是指数据类型的零值Public static int value = 123;准备阶段后的初始值为0，而不是123.注意：如果是常量（被final修饰）,则Public static final int value = 123;准备阶段后的初始值为123.

解析

解析阶段是虚拟机将常量池的符号引用替换为直接引用的过程。

1，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，只要使用时可以无歧义的定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用目标并不一定已经加载到内存中
2，直接引用：直接指向目标的指针、相对偏移量或一个能间接定位到目标的句柄，直接引用与虚拟机实现的内存布局相关，如果有了直接引用，引用目标必定已经加载到内存中

解析发生的具体时间

在执行anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevitual、multianewarray、new、putfield、putstatic这13用于操作符号引用的字节码指令之前。

解析过程

1. 类或接口的解析

   假设当前代码所处的类为D，D的常量池中有一个从未解析过得符号引用N，将N解析为一个类或接口C的直接引用，过程如下：
   如果C不是数组类型：将N的全限定名传递给D的类加载器去加载C。如果加载过程出现异常，则解析失败
   如果C是数组类型，且数组类型的元素类型为对象，即N的描述符是“[Ljava.lang.Integer”的形式：按照第1点加载Integer，接着由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象；
   如果上面步骤没出异常，则C在虚拟机中已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成之前，还需要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限，否则抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

2. 字段解析

   首先对字段表内class_index项索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，即解析字段所属的类或接口的符号引用，用C表示
   然后对C进行字段搜索：
   如果C本身包含了简单名称和字段描述符都与目标匹配的字段，则返回该字段的直接引用，查找结束
   否则，如果C实现了接口，则按继承关系从上往下搜索各个接口和他的父接口。如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标匹配的字段，则返回该字段的直接引用，查找结束
   否则，按继承关系从上往下搜索其父类。如果父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标匹配的字段，则返回该字段的直接引用，查找结束
   否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。
   如果查找过程成功返回应用，则还需要对该字段进行权限验证，不通过，则抛出java.lang.IllegalAccessError异常

3. 接口方法解析
   类似于字段解析

初始化

初始化阶段是类加载过程的最后一步，才真正开始执行类中定义的Java程序代码。

初始化时机

有且只有4种情况必须立即对类进行初始化：
1，遇到new（使用new关键字实例化对象）、getstatic（获取一个类的静态字段，final修饰符修饰的静态字段除外）、putstatic（设置一个类的静态字段，final修饰符修饰的静态字段除外）和invokestatic（调用一个类的静态方法）这4条字节码指令时，如果类还没有初始化，则必须首先对其初始化
2，使用java.lang.reflect包中的方法对类进行反射调用时，如果类还没有初始化，则必须首先对其初始化
3，当初始化一个类时，如果其父类还没有初始化，则必须首先初始化其父类
4，当虚拟机启动时，需要指定一个主类（main方法所在的类），虚拟机会首选初始化这个主类
5 , 当使用JDK1.7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REF_getStatic、REF_pullStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

这5种行为称为对一个类进行主动引用，除此之外所有引用类的方式，都不会触发初始化，称为被动引用.

初始化过程

在准备阶段，变量已经赋过一次初始值，在初始化阶段，则是根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其它资源，简单说，初始化阶段即虚拟机执行类构造器<clinit>()方法的过程，下面详细介绍下<clinit>方法：

• <clinit>由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并产生的，编译器收集的顺序由语句在源文件中出现的顺序决定，特别注意的是，静态语句块只能访问到定义在它之前的类变量，定义在它之后的类变量只能赋值，不能访问

public class Test{
    static{
        i = 0;               //给变量赋值可以正常编译通过
        System.out.print(i);  //这句编译器会提示‘非法向前引用’ 
    }
}

• 与实例构造器<init>()方法不同，<clinit>方法不需要显式的调用父类的<clinit>()方法，虚拟机会自动保证在子类的<clinit>()方法运行之前，父类的<clinit>()方法已经执行结束，虚拟机中第一个执行<clinit>()方法的类为java.lang.Object

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

public class SubClass extends SuperClass{  
    static{  
        System.out.println("sub class init!");  
    }  

    public static void main(String[] args) {  
        SubClass sub = new SubClass();  
    }  
}  

运行结果是：

super class init!
sub class init!

• <clinit>()方法对于类或接口不是必须的，如果一个类中不包含静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，编译器可以不为该类生成<clinit>()方法接口中不可以使用静态语句块，但是可以有类变量的赋值操作，故编译器也会对接口生成<clinit>()方法，执行接口的<clinit>()方法之前不要求首先执行父接口的<clinit>()方法，除非接口中使用了父接口中初始化的类变量，同理，接口实现类在初始化时也不一定要求首先执行接口的<clinit>()方法

• 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境下被正确的加锁和同步，如果多个线程同时初始化一个类，只会有一个线程执行这个类的<clinit>()方法，其它线程都会阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕

public class A {  
    static{  
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
                +" "+new Date());  
        try {  
            Thread.sleep(5000);  
        } catch (InterruptedException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
}  

public class T implements Runnable {  
    public void run() {  
        A a = new A();  
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
                +" "+new Date());  
    }  

    public static void main(String[] args){  
        T t1 = new T();  
        T t2 = new T();  
        Thread thread1 = new Thread(t1);  
        Thread thread2 = new Thread(t2);  
        thread1.start();  
        thread2.start();  
    }  
}  

运行结果如下：

Thread-0 Fri Dec 06 10:25:00 CST 2013
Thread-1 Fri Dec 06 10:25:05 CST 2013
Thread-0 Fri Dec 06 10:25:05 CST 2013