JVM-类加载机制-《深入理解Java虚拟机》学习笔记

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、装换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的 Java 类型。

在 Java 语言中，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。

类加载时机

其中加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的。解析阶段可以在初始化之后再开始(运行时绑定或动态绑定或晚期绑定)。

以下五种情况必须对类进行初始化(而加载、验证、准备自然需要在此之前完成)：

1. 遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这 4 条字节码指令时没初始化触发初始化。使用场景：使用 new 关键字实例化对象、读取一个类的静态字段(被 final 修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)、调用一个类的静态方法。
2. 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候。
3. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行初始化，则需先触发其父类的初始化。
4. 当虚拟机启动时，用户需指定一个要加载的主类(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，则需先触发其初始化。
6. 当一个借口中定义了JDK8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口）时，如果这个接口的实现了发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化

类加载过程

完整过程

1、加载
简单的说，类加载阶段就是由类加载器负责根据一个类的全限定名来读取此类的二进制字节流到JVM内部，并存储在运行时内存区的方法区，然后将其转换为一个与目标类型对应的java.lang.Class对象实例（Java虚拟机规范并没有明确要求一定要存储在堆区中，只是hotspot选择将Class对戏那个存储在方法区中），这个Class对象在日后就会作为方法区中该类的各种数据的访问入口。
2、链接
链接阶段要做的是将加载到JVM中的二进制字节流的类数据信息合并到JVM的运行时状态中，经由验证、准备和解析三个阶段。
1）、验证
验证类数据信息是否符合JVM规范，是否是一个有效的字节码文件，验证内容涵盖了类数据信息的格式验证、语义分析、操作验证等。
格式验证：验证是否符合class文件规范
语义验证：检查一个被标记为final的类型是否包含子类；检查一个类中的final方法视频被子类进行重写；确保父类和子类之间没有不兼容的一些方法声明（比如方法签名相同，但方法的返回值不同）
操作验证：在操作数栈中的数据必须进行正确的操作，对常量池中的各种符号引用执行验证（通常在解析阶段执行，检查是否通过富豪引用中描述的全限定名定位到指定类型上，以及类成员信息的访问修饰符是否允许访问等）
2）、准备
为类中的所有静态变量分配内存空间，并为其设置一个初始值（由于还没有产生对象，实例变量不在此操作范围内）
被final修饰的静态变量，会直接赋予原值；类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，则在准备阶段，其值就是ConstantValue的值
3）、解析
将常量池中的符号引用转为直接引用（得到类或者字段、方法在内存中的指针或者偏移量，以便直接调用该方法），这个可以在初始化之后再执行。
可以认为是一些静态绑定的会被解析，动态绑定则只会在运行是进行解析；静态绑定包括一些final方法(不可以重写),static方法(只会属于当前类)，构造器(不会被重写)
3、初始化
将一个类中所有被static关键字标识的代码统一执行一遍，如果执行的是静态变量，那么就会使用用户指定的值覆盖之前在准备阶段设置的初始值；如果执行的是static代码块，那么在初始化阶段，JVM就会执行static代码块中定义的所有操作。
所有类变量初始化语句和静态代码块都会在编译时被前端编译器放在收集器里头，存放到一个特殊的方法中，这个方法就是<clinit>方法，即类/接口初始化方法。该方法的作用就是初始化一个中的变量，使用用户指定的值覆盖之前在准备阶段里设定的初始值。任何invoke之类的字节码都无法调用<clinit>方法，因为该方法只能在类加载的过程中由JVM调用。
如果父类还没有被初始化，那么优先对父类初始化，但在<clinit>方法内部不会显示调用父类的<clinit>方法，由JVM负责保证一个类的<clinit>方法执行之前，它的父类<clinit>方法已经被执行。
JVM必须确保一个类在初始化的过程中，如果是多线程需要同时初始化它，仅仅只能允许其中一个线程对其执行初始化操作，其余线程必须等待，只有在活动线程执行完对类的初始化操作之后，才会通知正在等待的其他线程。
           

加载

1. 通过一个类的全限定名来获取定义次类的二进制流(ZIP 包、网络、运算生成、JSP 生成、数据库读取)。
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，作为方法去这个类的各种数据的访问入口。

数组类的特殊性：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最终是要靠类加载器去创建的，数组创建过程如下：

1. 如果数组的组件类型是引用类型，那就递归采用类加载加载。
2. 如果数组的组件类型不是引用类型，Java 虚拟机会把数组标记为引导类加载器关联。
3. 数组类的可见性与他的组件类型的可见性一致，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。

内存中实例的 java.lang.Class 对象存在方法区中。作为程序访问方法区中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是交叉进行的，但是开始时间保持先后顺序。

验证

是连接的第一步，确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机要求。

文件格式验证

1. 是否以魔数 0xCAFEBABE 开头
2. 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内
3. 常量池的常量是否有不被支持常量的类型（检查常量 tag 标志）
4. 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
5. CONSTANT_Utf8_info 型的常量中是否有不符合 UTF8 编码的数据
6. Class 文件中各个部分集文件本身是否有被删除的附加的其他信息
7. ……

只有通过这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区进行存储，所以后面 3 个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不再直接操作字节流。

元数据验证

1. 这个类是否有父类（除 java.lang.Object 之外）
2. 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（final 修饰的类）
3. 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
4. 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾（覆盖父类 final 字段、出现不符合规范的重载）

这一阶段主要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。

字节码验证

1. 保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都鞥配合工作（不会出现按照 long 类型读一个 int 型数据）
2. 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上
3. 保证方法体中的类型转换是有效的（子类对象赋值给父类数据类型是安全的，反过来不合法的）
4. ……

这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。这个阶段对类的方法体进行校验分析，保证校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件。

符号引用验证

1. 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
2. 在指定类中是否存在符方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段
3. 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
4. ……

最后一个阶段的校验发生在迅疾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，还有以上提及的内容。

符号引用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将抛出一个 java.lang.IncompatibleClass.ChangeError 异常的子类。如 java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError 等。

准备

这个阶段正式为类分配内存并设置类变量初始值，内存在方法去中分配(含 static 修饰的变量不含实例变量)。

public static int value = 1127;

这句代码在初始值设置之后为 0，因为这时候尚未开始执行任何 Java 方法。而把 value 赋值为 1127 的 putstatic 指令是程序被编译后，存放于 clinit() 方法中，所以初始化阶段才会对 value 进行赋值。

基本数据类型的零值

数据类型	零值	数据类型	零值
int	boolean	false
long	0L	float	0.0f
short	(short) 0	double	0.0d
char	‘\u0000’	reference	null
byte	(byte) 0

特殊情况：如果类字段的字段属性表中存在 ConstantValue 属性（被final修饰），在准备阶段虚拟机就会根据 ConstantValue 的设置将 value 赋值为 1127。

解析

这个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。

1. 符号引用

   符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以使任何形式的字面量。

2. 直接引用

   直接引用可以使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。直接引用和迅疾的内存布局实现有关

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、方法句柄和调用点限定符 7 类符号引用进行，分别对应于常量池的 7 中常量类型。

初始化

前面过程都是以虚拟机主导，而初始化阶段开始执行类中的 Java 代码。

• 会把static的赋值为对应的值
• 普通的开始先赋值为零值

以下情况必须初始化

1. 遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这 4 条字节码指令时没初始化触发初始化。使用场景：使用 new 关键字实例化对象、读取一个类的静态字段(被 final 修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)、调用一个类的静态方法。
2. 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候。
3. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行初始化，则需先触发其父类的初始化。
4. 当虚拟机启动时，用户需指定一个要加载的主类(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，则需先触发其初始化。
6. 当一个借口中定义了JDK8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口）时，如果这个接口的实现了发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化