JVM-加载，链接，初始化

Posted 2020-08-21

　　Java Virtual Machine 动态的加载，链接和初始化类和接口。那么，Class 二进制文件是怎样被 JVM 加载到内存中的？JVM 如何描述一个 Java 类？类或接口怎么才能让 JVM执行？类或接口又是怎么初始化的？

　　带着这些问题，本文将讨论：

• JVM 加载
• JVM 链接
• JVM 初始化

　　一个 Class 文件被 JVM 读取，然后经过加载，链接和初始化这些逻辑阶段，变成可被 JVM 识别的格式，最终在内存中的体现就是一个 java.lang.Class 对象。在虚拟机规范中并没有规定这些阶段按顺序进行，HotSpot VM 有些阶段就是交叉进行的。

1. JVM 加载

　　加载就是从字节流中，按照 Class 文件的格式解析出类或接口，并创建相应的类或接口。当 JVM 启动时，将会使用如下几种类加载器：

• Bootstrap Class Loader

　　启动类加载器，它负责加载位于 <JAVA_HOME>\\jre\\lib 目录的 Java 核心类库（如 rt.jar），它是使用本地方法编写，不是一个 Java 类。由它加载的类，当调用 getClassLoader() 时，返回 null 。

• Extension Class Loader

　　扩展类加载器，它负责加载位于 <JAVA_HOME>\\jre\\lib\\ext 目录中的 Class 文件，由  sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现。

• System Class Loader

　　系统类加载器，也叫应用程序类加载器（Application class loader），它负责加载位于 CLASSPATH 环境变量路径上的类库。程序的默认加载器就是它，当然也可以自定义加载器。它由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现。

• User-Defined Class Loader

　　用户自定义类加载器。

　　加载的流程是：验证魔数和主从版本号；读取 Class 文件中的静态常量池定义，创建运行时常量池并返回一个句柄；读取访问控制符；读取 this 类和其全限定名称（在常量池中）；super 类和全限定名称；读取接口信息，包括本地和父类接口；读取字段信息，并分配存储；读取方法信息；创建 instanceKlass （JVM内部描述Java类的对象）根据以上读取的信息赋值；创建镜像类 java.lang.Class，初始化静态域；通知类已加载。

　　在运行时，类或接口的全限定名称并不是其唯一标识，而是使用名字和加载它的类加载器共同标识的。所以当使用 instanceof，equals() 判断两个类是否相同时的必要条件是，两个类由同一个类加载器加载。在 JVM 内部有一个系统字典，它记录了系统加载的所有类，类加载器等信息，为其他模块提供检索服务。

　　为了避免重复加载，和保证 Java 类型体系的安全，JVM 在加载时，使用双亲委派模型（Parents Delegation Model），它表示类加载器的一种层次关系，使用组合来实现。

　　当一个类加载器加载一个类时，首先它不会先尝试自己加载这个类，而是把这个加载请求委派给父类加载器，每层均是如此，把这个请求逐层上传，直到顶层的启动类加载器，只有当父类加载器反馈自己无法完成加载时，子类加载器才会自己去加载。

　　JVM 为每一个加载的 Java 类创建一个 instanceKlass 对象，来表示 Java 类。它包含运行一个 Java 类所需的所有信息，其成员变量会在解析阶段完成初始化。

2. JVM 链接

　　class 文件之间通过符号引用建立关系（符号引用以字符串的形式存在），JVM 动态加载类或接口，通过动态链接把它们链接起来，实现方法调用和相互引用。链接可分为验证，准备和解析。

• 验证

　　用于确保 Class 文件符合 JVM 的要求，验证字节码的正确性，验证类的元数据信息。

• 准备

　　为类变量分配内存并赋值各类型的默认值，如果是 final static 修饰的字段，直接会被初始化为指定的值。

• 解析

　　把常量池中的符号引用转换为直接引用，即运行时实际内存地址，主要有类，接口，字段和方法这 4 类符号引用。

3. JVM 初始化

　　初始化阶段，就是执行 Java 的初始化方法，有两个方法：一个是类初始化方法 <clinit>（静态块，语句初始化）；一个是实例初始化方法 <init>（构造函数），这两个方法都是由编译器自动生成的，在初始化阶段由 JVM 自身隐式调用。

　　JVM 会保证父类先于子类执行 <clinit> 方法，也就是说父类的静态块和变量初始化操作先于子类的执行，在多线程环境下，JVM 会保证 <clinit> 方法的线程安全。