JVM进阶之路十三：类加载过程

Posted 2021-05-29 三分恶

通过前面的学习，我们了解了Class文件的结构，在Class文件中描述的各类信息，最终都需要加载到虚拟机中之后才能被运行和使用。

接下来，我们开始学习JVM的类加载。

一个类从被加载到虚拟机内存中开始，到从内存中卸载，整个生命周期需要经过七个阶段：加载 （Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化 （Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading），其中验证、准备、解析三个部分统称为连接（Linking）。

《Java虚拟机规范》 严格规定了有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”：

• 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。
• 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。

接下来我们来详细学习Java虚拟机中类加载的全过程，即加载、验证、准备、解析和初始化。

1、加载

加载是JVM加载的起点，具体什么时候开始加载，《Java虚拟机规范》中并没有进行强制约束，可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。

在加载过程，JVM要做三件事情：

• 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。

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，《Java虚拟机规范》未规定此区域的具体数据结构。

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。

方法区在JDK不同版本的具体实现就不再详细说了。在JDK1.8中，类型数据存储在元空间中。

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。

验证阶段大致上会完成下面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。

• 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。需要验证魔数、版本号、常量池常量类型是否支持、指向常量的索引值等等。

• 元数据验证

第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合《Java语言规范》的要求，包括类是否有父类、父类是否继承了final修饰的类、非抽象类是否实现了父类定义的方法、类是否与父类有矛盾等等。

• 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。

• 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。

符号引用验证主要验证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。

3、准备

准备阶段是给静态变量分配内存并设置类变量初始值的阶段。

在JDK 7及之前，这些变量的内存在方法区（永久代）中分配，在JDK 8及之后，静态变量则会随着Class对象一起存放在Java堆中。

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。

• 符号引用（Symbolic References）：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。
• 直接引用（Direct References）：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。

5、初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，在这个阶段，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。

准备阶段，变量被赋的是系统要求的零值，在初始化阶段，赋的是代码里编写的值。

好了，基本的类加载过程已经了解完了，接下来，我们将学习负责完成加载阶段的类加载器。

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参考：

【1】：《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）》