Java虚拟机06——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，最终造成能够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、链接和初始化过程都是在程序运行期间完成的，虽然会令类加载时稍微增长一些性能开销，可是会为Java应用程序提供高度的灵活性，Java里天生能够动态扩展的语言特性，就是以来运行期动态加载和动态链接这个特色实现的。

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)->卸载(Unloading)。其中，验证，准备，解析3部分统称为链接。如图

• 加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是肯定的，类的加载过程必须按照这种顺序循序渐进地开始；
• 在某些状况下，解析阶段能够在初始化阶段以后再开始，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）。
• 这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行的，在一个阶段执行的过程当中一般会调用、激活另一个阶段。

类加载第一过程：加载，Java虚拟机规范中并无进行强制约束，这点能够交给虚拟机的具体实现来自由把握。对于初始化，虚拟机规范则是严格规定了有且仅有7种状况必须当即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备天然须要在此以前）

1. 使用new关键字实例化对象的时候
2. 读取或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）
3. 调用一个类的静态方法的时候
4. 使用Java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候
5. 初始化子类，会先初始化父类
6. 虚拟机启动时，用户须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
7. 当使用jdk1.7的动态语言支持时，若是一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，而且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则须要先触发其初始化。

类加载的过程

加载

加载时类加载（Class Loading）过程的一个阶段。在加载阶段，虚拟机须要完成如下三件事：

1. 经过一个类的全限定名称来获取定义此类的二进制流。
2. 将这个字节流所表明的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
3. 在内存中生成一个表明这个类的java.lang.Class对象，做为方法区这个类的各类数据的访问入口

虚拟机实现与具体应用的灵活度都是至关大的，如第一条，虚拟机设计团队设计了以下举足轻重的技术：

• 从ZIP包中读取，这很常见，最终成为往后JAR、EAR、WAR格式的基础
• 从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Applet
• 运行时计算生成，动态代理技术，在Proxy类中，就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流
• 由其余文件生成，典型场景就是JSP应用，即由JSP文件生成对应的Class类
• 从数据库中读取，若有些中间件服务器（如SAP Netweaver）能够选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。

一个非数组类的加载阶段（加载阶段中获取类的二进制字节码）时开发人员可控性最强的。开发人员能够经过定义本身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，数组类自己不经过类加载器建立，它是由Java虚拟机直接建立的，一个数组类建立过程就遵循如下规则

1. 若是数组的组件类型（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，数组将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识（一个类必须与类加载器一块儿肯定惟一性）。
2. 若是数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组），Java虚拟机会把数组标记为与引导类加载器关联。
3. 数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，若是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。而后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将做为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。

注：对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但存放在方法区里面。

加载阶段与链接阶段的部份内容（如一部分字节码文件格式验证动做）是交叉进行的，加载阶段还没有完成，链接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动做，仍然属于链接阶段的内容，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的前后顺序。

验证

验证是链接阶段的第一步，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需求，而且不会危害虚拟机自身的安全。从总体上看，验证阶段大体上会完成下面4个阶段的校验动做：

文件格式验证

验证字节流是否符合Class文件格式的规范，而且能被当前版本的虚拟机处理。可能包括如下验证点：

• 是否以魔数0xCAFEBABE开头。
• 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围以内。
• 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）。
• 指向常量的各类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自己是否有被删除的或附加的其余信息。
• ...

这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有经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，因此后面的3个验证阶段所有是基于方法区的存储结构进行的，不会再验证字节流

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，这个阶段可能的验证点以下：

• 这个类是否有父类（除了java.lang.Object以外，全部类都应当有父类）。
• 这个类是否继承了不容许被继承的类（被final修饰的类）。
• 若是这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中所要求实现的全部方法。
• 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，但返回值类型却不一样等等）。
• ...

字节码验证

主要目的是经过数据流和控制流分析，肯定程序语义是合法的、符合逻辑的。在第二阶段对元数据中的数据类型作完校验后，这个阶段将对方法体进行校验分析，例如：

• 保证任意时刻操做数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工做，例如不会出现相似这样的状况：在操做数栈放置了一个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之外的字节码指令上。
• 保证方法体中的类型转换是有效的，例如能够把一个子类对象赋值给父类数据类型，可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、彻底不相干的一个数据类型，则是危险不合法的。
• ...

若是一个类方法体的字节码没有经过字节码验证，那确定是有问题的；但若是一个方法体经过了字节码验证，也不能说明其必定就是安全的。即便字节码验证之中进行了大量的检查，也不能保证这一点。

因为数据流验证的高复杂性，虚拟机设计团队为了不过多的时间消耗在字节码验证阶段，在JDK 1.6以后的Javac编译器和Java虚拟机中给方法体的Code属性的属性表中增长了一项StackMapTable属性，用于描述了方法体中全部的基本块（Basic Block，按照控制流拆分的代码块）开始时本地变量表和操做栈应有的状态，在字节码验证期间，就不须要根据程序推导这些状态的合法性，只须要检查StackMapTable属性中的记录是否合法便可。这样将字节码验证的类型推导转变为类型检查从而节省一些时间。

在JDK 1.6的HotSpot虚拟机中提供了-XX:-UseSplitVerifier选项来关闭这项优化，或者使用参数-XX:+FailOverToOldVerifier要求在类型校验失败的时候退回到旧的类型推导方式进行校验。而在JDK 1.7以后，对于主版本号大于50的Class文件，使用类型检查来完成数据流分析校验则是惟一的选择，不容许再退回到类型推导的校验方式。

符号引用验证

符号引用验证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，这个转化动做将在链接的第三阶段——解析阶段中发生。符号引用验证能够看作是对类自身之外（常量池中的各类符号引用）的信息进行匹配性校验，一般须要校验下列内容：

• 符号引用中经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做能正常执行，若是没法经过符号引用验证，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。

对于虚拟机的类加载机制来讲，验证阶段是一个很是重要的、但不是必定必要（由于对程序运行期没有影响）的阶段。若是所运行的所有代码（包括本身编写的及第三方包中的代码）都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段就能够考虑使用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

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须要强调一下，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块儿分配在Java堆中。其次，这里所说的初始值“一般状况”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在准备阶段事后的初始值为0而不是123，由于这时候还没有开始执行任何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()方法之中，因此把value赋值为123的动做将在初始化阶段才会执行。下表列出了Java中全部基本数据类型的零值：

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

假设上面类变量value的定义被修饰为final，则value会变为常量，此时value的字段属性表中存在ConstantValue属性，在准备阶段变量value会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

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，符号能够是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标便可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不必定已经加载到内存中。各类虚拟机实现的内存布局能够各不相同，可是它们能接受的符号引用必须都是一致的，由于符号引用的字面量形式明肯定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。
• 直接引用（Direct References）：直接引用能够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一样虚拟机实例上翻译出来的直接引用通常不会相同。若是有了直接引用，那引用的目标一定已经在内存中存在。

解析动做主要针对类或接口、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CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info这7种常量类型。下面先介绍前4种。

类或接口的解析

假设当前类为D，须要将未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用，主要有三个步骤：

1. 若是C是非数组类型，D的类加载器会根据表明N的全限定名去加载C，加载过程当中可能会触发其余相关类的加载。
2. 若是C是数组类型，且数组的元素类型为非基本类型，那么首先会按第一步中的方式加载数组元素类型，而后生成一个表明此数组维度和元素的数组对象。
3. 若是前两步没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成以前还要进行符号引用验证，确认D是否具有对C的访问权限。若是发现不具有访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

字段的解析

要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表的第一个index索引项指向的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所在的类或接口的符号引用。若是在解析这个类或接口符号引用的过程当中出现了任何异常，都会致使字段符号引用解析的失败。若是解析成功完成，那将这个字段所属的类或接口用C表示，虚拟机规范要求按照以下步骤对C进行后续字段的搜索：

1. 若是C自己就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
2. 不然，若是在C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，若是接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
3. 不然，若是C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，若是在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
4. 不然，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。 若是有一个同名字段同时出如今C的接口和父类中，或者同时在本身或父类的多个接口中出现，那编译器将可能拒绝编译。

若是查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，若是发现不具有对字段的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

类方法的解析

类方法解析的第一个步骤与字段解析同样，也须要先解析出类方法表的第一个index索引项指向的方法所属的类或接口的符号引用，若是解析成功，咱们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按照以下步骤进行后续的类方法搜索：

1. 类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，若是在类方法表中发现第一个index索引项指向的C是个接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
2. 若是经过了第1步，在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，若是有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
3. 不然，在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，若是有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
4. 不然，在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，若是存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，这时查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
5. 不然，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。 最后，若是查找过程成功返回了直接引用，将会对这个方法进行权限验证，若是发现不具有对此方法的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

接口方法的解析

接口方法也须要先解析出接口方法表中指向声明方法的类或接口描述符的符号引用，若是解析成功，依然用C表示这个接口，接下来虚拟机将会按照以下步骤进行后续的接口方法搜索：

1. 与类方法解析不一样，若是在接口方法表中发现声明方法的类或接口描述符中的索引C是个类而不是接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
2. 不然，在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，若是有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
3. 不然，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类（查找范围会包括Object类）为止，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，若是有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
4. 不然，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。 因为接口中的全部方法默认都是public的，因此不存在访问权限的问题，所以接口方法的符号解析应当不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

初始化

初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。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，则根据程序员经过程序制定的主观计划去初始化类变量和其余资源。

• <clinit>()方法是由编译器自动收集类中的全部类变量的赋值动做和静态语句块（static{}代码块）中的语句合并产生的.
• <clinit>()方法不须要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行以前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。所以在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类确定是java.lang.Object。
• 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做 -若是一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操做，那么编译器能够不为这个类生成<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做，所以接口与类同样都会生成<clinit>()方法。与类不一样的是，执行接口的<clinit>()方法不须要先执行父接口的<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同样不会执行接口的<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，若是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，其余线程都须要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。若是在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操做，就可能形成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞每每是很隐蔽的。须要注意的是，其余线程虽然会被阻塞，但若是执行<clinit>()方法的那条线程退出<clinit>()方法后，其余线程唤醒以后不会再次进入<clinit>()方法。同一个类加载器下，一个类型只会初始化一次。