Java虚拟机类加载机制

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类加载过程

类从被加载到虚拟机内存开始，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个部分统称为连接（Linking），这7个阶段的发生顺序如下图所示（图片来源网络）。

Java类加载过程.png

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种顺序按部就班的开始，而解析在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始。

类初始化时机

Java虚拟机规范中并没有进行强制约束“加载”阶段在什么情况下开始。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、准备自然要在此之前开始）：

• 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（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

加载

在加载阶段，虚拟机主要完成以下3件事情：

• 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
• 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。
• 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。

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。
从整体上来看，验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检验动作：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。这一阶段可能包括下面这些验证点：
   • 是否以0xCAFEBABE开头。
   • 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。
   • 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型（检查常量tag标志）。
   • 指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量。
   • CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。
   • Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。
     ... ...
     该验证阶段的主要目的是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。
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，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求，这个阶段可能包括的验证点如下：
   • 这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）。
   • 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）。
   • 如果这个类不是抽象类，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（例如覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的方法重载，例如方法参数都一致，但返回类型却不同等）。
     ... ...
     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，例如：
   • 保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现类似这样的情况：在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中。
   • 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
   • 保证方法体中的类型转换是有效的，例如可以把一个子类对象赋值给父类型，反之则不行。
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。符号引用验证可以看做是对类自身以外（常量池中各种符号引用）的信息进行匹配性校验，通常需要校验下列内容：
   • 符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。
   • 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段。
   • 符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可被当前类访问。
     ... ...
     符号引用验证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，那么将会抛出异常。

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。初始值通常情况下是数据类型的零值。
如果类字段属性表中存在ConstantValue属性（常量），那在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值。

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。符号引用在class文件中以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现。

• 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。符号引用于虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标不一定已经加载到内存中。
• 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到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

初始化

在初始化阶段，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>()方法额过程。

• <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。
• <clinit>()方法与类的构造函数（或者说是实例构造器<init>()方法）不同，它不需要显示地调用父类构造器，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。
• 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。
• <clinit>()方法对于类或接口来说并不是必须的，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产<clinit>()方法。
• 接口中不能使用静态语句块，但仍然可以有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成<clinit>()方法。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。
• 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。

最后

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这篇文章就是这本书的读书笔记。