【Java】深入理解Java虚拟机5——类的加载过程

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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。
在Java语言里面，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，这种策略虽然会令类加载时稍微增加一些性能开销，但是会为Java应用程序提供高度的灵活性，Java里天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。

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个部分统称为连接（Linking），

类的生命周期

注：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）。

类的加载

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。注：Class字节流可以从zip包中读取，从网络获取，运行时计算生成（eg:动态代理），数据库读取等等...
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。

加载阶段中获取类的二进制字节流的动作是开发人员可控性最强的，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式（即重写一个类加载器的loadClass（）方法）。 对于数组类而言，情况就有所不同，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。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型（ElementType，指的是数组去掉所有维度的类型）最终是要靠类加载器去创建

类的验证

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。
Class文件并不一定要求用Java源码编译而来，可以使用任何途径产生，甚至包括用十六进制编辑器直接编写来产生Class文件。虚拟机如果不检查输入的字节流，对其完全信任的话，很可能会因为载入了有害的字节流而导致系统崩溃，所以验证是虚拟机对自身保护的一项重要工作。
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。
  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，但返回值类型却不同等）。
    ......
  1. 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。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数据类型，这是安全的，但是把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个数据类型，则是危险和不合法的。
    .......
  1. 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（常量池中的各种符号引用）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。
  • 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。
    ......

类的准备

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。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先，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。其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：

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＜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。

类的解析

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。包括类或接口的解析、字段解析、类方法解析、接口方法解析。
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。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，因为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（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。

类的初始化

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

        static int i = 1；
    }
  • ＜clinit＞（）方法与类的构造函数（或者说实例构造器＜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。
  • 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，如下代码，字段B的值将会是2而不是1。
    static class Parent {
        public static int A = 1；

        static {
            A = 2；
        }
    }

    static class Sub extends Parent {
        public static int B = A；
    }

    public static void main（
    String[] args）

    {
        System.out.println（Sub.B）；
    }
  • ＜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。
  • 接口中不能使用静态语句块，但仍然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。

注：当一个类从被JVM装载开始，各种代码的执行顺序大致如下： 被JVM装载->执行父类的相关代码->如果有静态初始化，先执行静态初始化，且只执行一次，以后即使有该类实例化，也不会再执行->如果有静态代码块，以与静态初始化一样的方式执行->如果有new语句带来的实例化，先为成员变量分配空间，并绑定参数列表，隐式或显式执行super()，即父类的构造方法，->执行非静态代码块-〉执行本类的构造函数-〉执行其他代码

类在什么情况下初始化

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（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。
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。

被动引用

引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。下面举几个例子：
例一：

    package org.fenixsoft.classloading；

    /**
     * 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！"）；
        }
    }

    /**
     * 非主动使用类字段演示
     **/
    public class NotInitialization {
        public static void main（
        String[] args）

        {
            System.out.println（SubClass.value）；
        }
    }

上述代码运行之后，只会输出“SuperClass init！”，而不会输出“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。
例二：

package org.fenixsoft.classloading；

    /**
     * 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]；
        }
    }

运行之后发现没有输出“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.fenixsoft.classloading.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。
例三：

package org.fenixsoft.classloading；

    /**
     * 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，本质上并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"；
    }

    /**
     * 非主动使用类字段演示
     **/
    public class NotInitialization {
        public static void main（
        String[] args）

        {
            System.out.println（ConstClass.HELLOWORLD）；
        }
    }

代码运行之后，也没有输出“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NotInitialization类的常量池中，以后NotInitialization对常量ConstClass.HELLOWORLD的引用实际都被转化为NotInitialization类对自身常量池的引用了。也就是说，实际上NotInitialization的Class文件之中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译成Class之后就不存在任何联系了。

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