JVM学习：类加载子系统

一、类记载子系统作用

1. 类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载Class文件，class文件在文件开头有特定的文件标识。
2. ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine（执行引擎）决定。
3. 加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中还会存放运行时常量池信息，可能还包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射）。
4. class文件位于物理磁盘上，需要加载子系统将其以二进制流的数据格式加载到内存中。。

5. 上图

   
   image.png

二、加载过程概述

加载 --> 链接（验证 --> 准备 --> 解析） --> 初始化

image.png

三、环节-加载

1. 通过一个类的全限定名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。

四、环节-链接

4.1 验证(Verify)

• 目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身安全
• 主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。
• 使用 BinaryViewer软件查看字节码文件，其开头均为 CAFE BABE ，如果出现不合法的字节码文件，那么将会验证不通过。
• 比如接口请求中，会先进行数据格式校验。防止程序运行时出现不合规的数据而抛出各种异常。

4.2 准备(Prepare)

• 为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值。
• 这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配好了默认值，准备阶段会显式初始化。
• 注意：这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。

public class HelloApp {
    private static int a = 1;   //prepare准备：a = 0 ---> initial 初始化: a = 1
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a);
    }
}

4.3 解析(Resolve)

1. 将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。
2. 事实上，解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后再执行。
3. 符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。符号引用的字面量形式明确定义在《java虚拟机规范》的class文件格式中。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。
4. 解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。对应常量池中的CONSTANT Class info、CONSTANT Fieldref info、CONSTANT Methodref info等。

五、环节-初始化

1. 初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()的过程。
2. 此方法不需定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来。也就是说，当我们代码中包含static变量或代码块的时候，就会有clinit方法，否则没有。
3. <clinit>()方法中的指令按语句在源文件中出现的顺序执行。
4. <clinit>()不同于类的构造器。（关联：构造器是虚拟机视角下的<init>()）。
5. 若该类具有父类，JVM会保证子类的<clinit>()执行前，父类的<clinit>()已经执行完毕。

public class ClassInitTest {
    private static int num = 1;
    static {
        num = 2;
        number = 20;
        System.out.println(num);
        //System.out.println(number);    //报错：非法的前向引用（可以赋值，但不能调用）
    }
   private static int number = 10;      //linking链接阶段之prepare数据准备: number = 0 --> initial初始化: 20 --> 10
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassInitTest.num);//2
        System.out.println(ClassInitTest.number);//10
    }
}

6. 虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁。

public class DeadThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = () -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始");
            DeadThread dead = new DeadThread();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        };
        Thread t1 = new Thread(r, "线程1");
        Thread t2 = new Thread(r, "线程2");
        t1.start(); t2.start();
    }
}
class DeadThread {
    static {
        if (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "初始化当前类");
            while (true) {}
        } }}

• 两个线程同时去加载 DeadThread 类，而 DeadThread 类中静态代码块中有一处死循环。
• 先加载 DeadThread 类的线程抢到了同步锁，然后在类的静态代码块中执行死循环，而另一个线程在等待同步锁的释放。
• 所以无论哪个线程先执行 DeadThread 类的加载，另外一个类也不会继续执行。