类加载的时机和过程

Posted 2021-01-30 tu9oh0st

概述

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。

类加载的时机

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（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为链接（Linking），这7个阶段的发生顺序如下图所示：

上图中，加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这个顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。注意，这里笔者写的是按部就班地“开始”，而不是按部就班地“进行”或“完成”，强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行地，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

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。

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_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。

类加载的过程

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. 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。

对于数组而言，情况就有所不同，数组本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建的。一个数据类（下面简称为C）创建过程就遵循以下规则：

• 如果数组的组建类型（Component Type，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。
• 如果数组的组建类型不是引用类型（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。
• 数组类的可见性与它的组建类型的可见性一致，如果组建类型不是引用类型，那数组类的可见性将默认为public。

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之中，方法区中的数据存储结构由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。

验证

验证是链接阶段的第一步，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。

验证阶段大致上会完成下面4个阶段的校验动作：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

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。

该阶段的主要目的是确保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类型信息地要求。

2）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，以确保其描述的信息符合Java语言规范的要求。

第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

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和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。

如果一个类方法的字节码没有通过字节码验证，那肯定是有问题的；但如果一个方法通过了字节码验证，也不能说明其一定就是安全的。

4）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——解析阶段中发生。

该阶段的目的是确保解析动作能正常执行，如果无法通过符号引用验证，那么将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类。

对于虚拟机对的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的，但不是一定必要（因为对程序运行期没有影响）的阶段。

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都将在方法区中进行分配。这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），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，假设一个变量的定义为：

public static int value = 123;

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()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。下表列出了所有Java基础类型的零值：

数据类型	零值	数据类型	零值
int	0	boolean	false
long	0L	float	0.0f
short	(short)0	double	0.0d
char	‘u0000‘	reference	null
byte	(byte)0

上面提到，在“通常情况”下初始值是零值，那相对的会有一些“特殊情况”：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，假设上面类变量value的定义变为：

public static final int value =123;

编译时javac将会为value生成ConsantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

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（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）：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位目标的句柄。

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。
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。

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。

1. 如果C本身就包含了简单名称和字段描述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夫接口，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。

3）类方法解析

类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也需要先解析出类放发表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果成功解析成功，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类方法搜索。

1. 类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class_index中的索引的C是个接口，那直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
2. 如果通过第1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. 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。
5. 否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

4）接口方法解析

接口方法也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进行后续的接口方法搜索。

1. 与类方法解析不同，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。
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，知道java.lang.Object类（查找范围会包括Object类）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. 否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。

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指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()方法的过程。