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《深入理解Java虚拟机》笔记06之类加载过程7.1 概述7.2 类加载的时间7.3 类加载的过程

7.1 概述

我们知道，在Class文件中描述的各种信息，最终都需要加载到虚拟机中之后才能运行和使用。而虚拟机如何加载这些Class文件？Class文件中的信息进入到虚拟机后会发生什么变化？

虚拟机的类加载机制：

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。

与那些在编译时需要进行连接工作的语言（比如C语言）不同，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。**

注意这本书这里有两个语言上的设定：

  • 在实际情况中，每个Class文件都有可能代表着Java语言中的一个类或接口。
  • “Class文件”应当指的是一串二进制的字节流，无论以何种形式存在都可以。

7.2 类加载的时间

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：

  1. 加载（Loading）
  2. 验证（Verification）
  3. 准备（Preparation）
  4. 解析（Resolution）
  5. 初始化（Initialization）
  6. 使用（Using）
  7. 卸载（Unloading）
《深入理解Java虚拟机》笔记06之类加载过程7.1 概述7.2 类加载的时间7.3 类加载的过程

值得注意的是：加载->验证->准备->初始化->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）。

虚拟机规范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）：

  • 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化。

new:使用new关键字实例化对象的时候

putstatic:设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）

getstatic:读取一个类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）

invokestatic: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，用户需要制定一个要执行的**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对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

有且只有以上这5种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。

除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

被动引用的例子之一：

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
 */
class SuperClass{
    static{
        System.out.println("SuperClass init!");
    }
    public static int value = 123;

}

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);
    }
}

运行结果：

  • SuperClass init!

    123

**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。**至于是否要触发子类的加载和验证，在虚拟机规范中并未明确规定，这点取决于虚拟机的具体实现。

被动引用的例子之二：

public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args){
        SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
    }
}

运行结果：

  • 啥都没有

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。

这个类代表了一个元素类型为org.fenixsoft.classloading.SuperClass的一维数组，数组中应用的属性和方法（用户可直接使用的只有被修饰为public的length属性和clone()方法）都实现在这个类里。

Java语言中对数组的访问比C/C++相对安全是因为这个类封装了数组元素的访问方法，而C/C++直接翻译为对数组指针的移动。

在Java语言中，当检查到发生数组越界时会抛出java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常。

被动引用的例子之三：

/**
 * 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类的初始化
 */
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);
    }

}

运行结果：

  • hello world

上述代码运行之后，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。

值得一提：

接口也有初始化过程，这点与类是一致的，接口中不能使用“static{}”语句块，但编译器仍然会为接口生成“()”类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。

接口与类真正有所区别的是：

当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父类接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

7.3 类加载的过程

加载、验证、准备、解析和初始化这5个阶段所执行的具体动作。

7.3.1 加载 ，这是类加载（Class Loading）过程的一个阶段

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**。

虚拟机实现与具体应用的灵活度都是相当大的。

例如：通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流->它没有指明二进制字节流要从一个Class文件中获取，准确地说是根本没有指明要从哪里获取、怎样获取。

相对于类加载的其他阶段：

一个非数组类的加载阶段（准确地说，是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，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（Element Type，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。

一个数组类（下面简称为C）创建过程就遵循以下规则：

  • 如果数组的组件类型（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。->确定唯一性
  • 如果数组的组件类型不是引用类型（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件类型的可见性一直，如果组件类型不是引用类型，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格式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（并没有明确规定是在Java堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里面），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。

加载阶段与连接阶段的部分内容（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始。

但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

7.3.2 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。

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（如越界的数组访问）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。

验证阶段是非常重要的，这个阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击，从执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中又占了相当大的一部分，如果验证到输入的字节流不符合Class文件格式的约束，虚拟机就应抛出一个java.lang.VerifyError异常或其子类异常。

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：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。

这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后**面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的**，不会再直接操作字节流。

​ 2.元数据验证：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。

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：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。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。

如果一个类方法体的字节码没有通过字节码验证，那肯定是有问题的。但如果一个方法体通过了字节码验证，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。

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，那么将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类，如java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

7.3.3 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。**

注意：

  • 这个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。
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7.3.4 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，只要使用时无歧义地定位到目标即可。

直接引用（Direct Reference）：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。如果有了直接引用。那引用的目标必定已经在内存中存在。

7.3.5 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，除了在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。

到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的**Java程序代码（或者说字节码）**。

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()方法的过程。

()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的复制动作和静态语句块（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。

public class Teat{
    static{
        i = 0; //这个static{}块无法访问到之后的i，所以无法赋值。
        System.out.print(i);
    }
    static int i = 1;
}

()方法与类的构造函数（或者说实例构造器()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()方法执行之前，父类的()方法以及执行完毕。

因此在虚拟机中第一个被执行的()方法的类肯定是java.lang.Object。

由于父类的()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。看如下代码：B的结果为2

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);
}

()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类生成()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。但接口与类不同的是，执行接口的()方法不需要先执行父接口的()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()方法。

虚拟机会保证一个类的()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()方法，其他线程都需啊哟阻塞等待，直到活动线程执行()方法完毕。

package chapter7;



public class Test {
    
    static class DeadLoopClass{
        static{
            /*如果不加上这个if 语句，编译器将提示“Initializer does not complete normally”并拒绝编译*/
            if(true){
                System.out.println(Thread.currentThread()+"init DeadLoopClass");
                while(true){
                    
                }
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args){
        
        Runnable script = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread()+"start");
                DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();
                System.out.println(Thread.currentThread()+" run over");
            }
        };
        
        Thread thread1 = new Thread(script);
        Thread thread2 = new Thread(script);
        thread1.start();
        thread2.start();
        
    }
    
}

运行结果：

Thread[Thread-0,5,main]start

Thread[Thread-1,5,main]start

Thread[Thread-0,5,main]init DeadLoopClass

也就是说有一条线程在死循环以模拟长时间操作，另外一条线程在阻塞等待。

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