JVM理论：（三/5）类加载机制

Posted 2020-12-26 zjxiang

　　前文已经讲了Class文件的存储格式、方法的调用过程、字节码的执行过程。但是虚拟机是如何加载这些Class文件的呢？Class文件中的信息进入到虚拟机后会发生什么变化？

　　虚拟机将描述类的数据从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。在Java语言中，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。　　

　　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 3 个部分统称为连接，如下图。接下依次总结一下加载、验证、准备、解析、初始化这5个过程。

　　

　　

一、加载　　

在加载阶段，虚拟机需要完成以下3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）加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区中，然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，作为程序访问方法区中的这个类的类型数据的外部接口。

对于一个非数组类，开发人员既可以使用系统提供的引导类加载器，也可以由用户自定义的类加载器去控制字节流的获取方式。

但对于数组类而言，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建的。一个数组类C创建过程遵循以下规则：

　　1）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将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识，这点很重要，一个类必须与类加载器一起确定唯一性。

　　2）如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联。

　　3）数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组类的可见性将默认为public。

二、验证

这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致包括以下4个阶段：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

　　1）文件格式验证。验证字节流是否符合Class文件格式的规范。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。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后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。

　　2）元数据验证。对字节码描述的信息进行语义分析，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

　　3）字节码验证。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事件。

　　4）符号引用验证。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，以确保解析动作能正常执行。

三、准备

　　准备阶段仅为类变量（被static修饰的变量）在方法区中分配内存并设置类变量初始值，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。

　　这里所说的初始值是值数据类型的零值，基本数据类型的零值如下表。

　　

　　假设定义一个类变量如下，那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时候尚未开始执行任何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<clinit>()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。

public static int value=123;

　　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value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值。

四、解析

　　解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

• 符号引用包括三类常量：类和接口的全限定名、字段名称和描述符、方法名称和描述符。符号可以是任何形式的字面量，引用的目标并不一定要已经加载到内存中。
• 直接引用可以是指向目标的指针，相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

　　虚拟机会在在执行anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield、putstatic这16个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用的符号引用进行解析，虚拟机可以根据需要来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从而避免解析动作重复进行。对于invokedynamic指令，上面规则则不成立，因为invokedynamic指令的目的本来就是用于动态语言支持，所以必须等到程序实际运行到这条指令的时候，解析动作才能进行。

1、类或接口的解析

　　假设当前代码所处的类为D，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。这个过程中又可能触发这个类的父类或实现接口的加载动作。 
　　2）如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型。
　　3）如果上面的步骤没有出现任何异常，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，但在解析完成之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（public、private、protected）。如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

2、字段解析　　

　　1）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。若字段所属的类或接口用C表示。

　　2）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。 
　　3）如未找到且在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。 
　　4）如未找到且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。 
　　5）未找到，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

　　6）如果查找成功且返回了引用，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。 　　

　　在实际应用中，如果有一个同名字段同时出现在C的接口和父类中，或者同时在自己或父类的多个接口中出现，那编译器将可能拒绝编译。

3、类方法解析

　　1）先解析出类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用。依然用C表示这个类。

　　2）如果在类方法表中发现class_index中索引的C是个接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。 
　　3）如果在类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。 
　　4）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。 
　　5）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，这时查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。 
　　6）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。 
　　7）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

　　1）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。依然用C表示这个接口。

　　2）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，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。

　　3）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。 
　　4）否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类（查找范围会包括Object类）为止。 
　　5）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

　　由于接口中的所有方法默认都是public的，所以不存在访问权限的问题，因此接口方法的符号解析应当不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

五、初始化

初始化时机：

　　类初始化阶段是类加载过程的最后一步，Java虚拟机规范中并没有强制约束什么情况下开始类加载过程的第一个阶段：加载。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

• 1）遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段的时候（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）、调用一个类的静态方法的时候。
• 2）使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
• 3）当初始化一个类的时候，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 1.7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_putStatic、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。

<clinit>()方法特点：　

　　在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则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他资源，或者可以从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。<clinit>()方法特点如下：

　　1）<clinit>()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所决定的，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，如下列代码所示，i定义在静态块后，但静态块中有调用i的操作就会报错。

public class Test {
    static {
        i = 0;                       //给变量赋值可以正常编译通过
        System.out.print(i);         //编译器会提示“非法向前引用”
    }
    static int i = 1;
}

　　2）<clinit>()方法与实例构造器<init>()方法不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。

　　3）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。

　　4）<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。

　　5）接口中不能使用静态语句块“static{}”，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。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。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>()方法。

　　6）虚拟机会保证一个类的<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<clinit>()方法完毕。需要注意的是，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行<clinit>()方法的那条线程退出<clinit>()方法后，其他线程唤醒之后不会再次进入<clinit>()方法。同一个类加载器下，一个类型只会初始化一次。

被动引用不会初始化：

 　　除了前面讲的“有且只有”的5种场景，其余所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。下面列举三例。

/**
 * 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;
}

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

public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}

输出结果：
superclass init
123

　　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。对于Sun HotSpot虚拟机来说，可通过-XX:+TraceClassLoading参数观察到此操作会导致子类的加载。

/**
 * 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
 **/
public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
    }
}

输出结果：什么也没输出

　　没有输出“Superclass init ! ” ，说明并没有触发类org.fenixsoft.classloading.SuperClass的初始化阶段。但是这段代码里面触发了另外一个名为“[Lorg.fenixsoftclassloading.Superclass”的类的初始化阶段，对于用户代码来说，这并不是一个合法的类名称，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。

/**
 * 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。
 **/
public class ConstClass {
    static {
        System.out.println("ConstClass init!");
    }
    public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}

public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
    }
}

输出结果：
hello world

　　没有输出”ConstClass init!”，这是因为虽然在Java源码中引用了ConstClass类中的常量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”存储到了Notlnitialization类的常量池中，以后Notlnitialization对常量ConstClass.HELLOWORLD的引用实际都被转化为Notlnitializationl类对自身常量池的引用了。这两个类在编译成Class之后就不存在任何联系了。

 

参考链接：

https://blog.csdn.net/huaxun66/article/details/77092308

https://blog.csdn.net/chenge_j/article/details/72677766

https://www.cnblogs.com/timlearn/p/4029823.html

https://blog.csdn.net/u013678930/article/details/51954768

http://www.importnew.com/18548.html