JVM学习笔记(七)类加载机制－类加载的时机、过程

前言

  Java虚拟机类加载过程是把Class类文件加载到内存，并对Class文件中的数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的java类型的过程。

  与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同，在java语言里，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，在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。

  例如，如果编写一个面向接口的应用程序，可以等到运行时再指定其实际的实现类；用户可以通过java预定义的和自定义的类加载器，让一个本地的应用程序可以在运行时从网络或其他地方加载一个二进制流作为程序代码的一部分，这种组装应用程序的方式目前已广泛应用于java程序之中。

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一、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、解析三个部分统称为连接（Linking），这7个阶段的发生顺序如下图所示：

  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）。这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

  java虚拟机规范中对类加载过程中的第一个阶段并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格了有且只有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，如果发型其父类还没有进行初始化，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应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

  java虚拟机规范中规定有且只有这5种会触发类进行初始化的场景，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。

下面是三个被动引用的例子：
被动引用例子一：通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化

package com.blog.test.jvm;
/**
 * 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!");
    }
}

public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}

运行结果：

SuperClass init!
123
Process finished with exit code 0

  从运行结果我们可知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。对于Sun HotSpot 虚拟机来说，可通过-XX:+TraceClassLoading参数观察到此操作会导致子类的加载。

被动引用例子二：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[] superClasses = new SuperClass[10];
}
｝

  这段代码复用了例子一中的SuperClass，运行之后发现没有输出“SuperClass Init!“，说明并没有触发类com.blog.test.jvm.SuperClass的初始化阶段。但是这段代码里面触发了另外一个名为“［Lcom.blog.test.jvm.SuperClass］“的类的初始化阶段，对于用户来说，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com.blog.test.jvm.SuperClass的唯一数组，数组中应有的属性和方法（用户可直接使用的只有被修饰为public的lenth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。

被动引用例子三：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

package com.blog.test.jvm;

public class ConstClass {

    static {
        System.out.println("ConstClass init!");
    }

    public static final String HELLOWWORLD="hello world";  
}

public class NotInitialization {
    //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 static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstClass.HELLOWWORLD);
    }
｝

运行结果：

hello world

Process finished with exit code 0

  从运行结果没输出“ConstClass init!“，这是因为虽然在java 源码中引用了ConstClass泪中的常量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.HELLOWWORLD的引用时机都被转化为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。

接口的加载过程和类加载过程稍有一些不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口也有初始化过程，这点与类是一致的，上面的代码都是用静态代码块“static｛｝“来输出初始化信息的，而接口中不能使用“static｛｝“语句块，但编译器仍然会为接口生成“clinit()“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接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

注：类构造器< clinit >和方法构造器< init >的生成过程和作用？

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二 类加载的过程

java虚拟机中类加载的全过程：加载、验证、准备、解析和初始化这5个阶段，注意区别于类的生命周期。

1、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。
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。

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流这条，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明确要从哪里获取、怎样获取。许多举足轻重的java技术都建立在这一基础上，例如：

1）从ZIP包中读取，这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。
2）从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Applet。
3）运行时计算生成，这种场景使用的最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用了ProxyGenerator.generatePorxyClass来为特定接口生成形式为”$Proxy”的代理类的二进制字节流。
4）由其他文件生成，典型场景是JSP应用，即由JSP文件生成对应的Class类。
5）从数据库中读取，这种场景相对少见些，例如有些中间件服务器（如SAP Netweaver）可以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。
……

  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）。

  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C）创建过程遵循以下规则：

1）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，那就递归采用本节定义的加载过程去加载这个组建类型，数组C将在加载该组建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起确定唯一性）。
2）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。
3）数组类的可见性与它的组建类型的可见性一致，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。

  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。

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2、验证

  验证是连接阶段（连接阶段包括验证、准备、解析）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。如果验证失败，会抛出java.lang.VerifyError异常。

  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Class文件魔数、主次版本、常量池、类文件本身等等。

2）元数据验证：主要是对字节码描述的信息进行语义分析，包括是否有父类、是否是抽象类、是否是接口、是否继承了不允许被继承的类(final类)、是否实现了父类或者接口的方法等等。

3）字节码验证：是整个验证过程中最复杂的，主要进行数据流和控制流分析，如保证跳转指令不会跳转到方法体之外的字节码指令、数据类型转换安全有效等。

4）符号引用验证：发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候(连接第三阶段-解析阶段进行符号引用转换为直接引用)，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，则会抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类异常，如java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

  对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要（因为对程序运行期没有影响）的阶段。如果所运行的全部代码（包括自己编写的及第三方包中的代码）都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段就可以考虑使用-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。

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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。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。

  上面提到，在“通常情况“下初始值是零值，那相对的会有一些“特殊情况“：如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，假设上面类变量value的定义变为：

public static final int value=123;

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的设置讲value赋值为123。

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4、解析

解析阶段时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：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：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，那直接引用的目标必定已经在内存中存在。

解析的动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号引用进行解析。

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5、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，则根据程序员制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者从另一个角度来表达：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能赋值，但是不能访问，如下所示：

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

  < clinit >()方法与类的构造函数(或者说实例构造器< init >) 不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证子类的< 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地变量赋值操作，如下代码所示，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.printIn(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。

  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，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只有一个线程去执行这个类的< clinit >()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行< clinit >()方法完毕。如果在一个类的< clinit >()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

初始化总结如下：

1).类构造器< clinit >方法是由编译器自动收集类中所有类变量(静态非final变量)赋值动作和静态初始化块(static{……})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决定。静态初始化块中只能访问到定义在它之前的类变量，定义在它之后的类变量，在前面的静态初始化中可以赋值，但是不能访问。

3).由于父类构造器< clinit >方法先于子类构造器执行，因此父类中定义的静态初始化块要先于子类的类变量赋值操作。

4). 类构造器< clinit >方法对于类和接口并不是必须的，如果一个类中没有静态初始化块，也没有类变量赋值操作，则编译器可以不为该类生成类构造器< clinit >方法。

5).接口中不能使用静态初始化块，但可以有类变量赋值操作，因此接口与类一样都可以生成类构造器< clinit >方法。
接口与类不同的是：
首先，执行接口的类构造器< clinit >方法时不需要先执行父接口的类构造器< clinit >方法，只有当父接口中定义的静态变量被使用时，父接口才会被初始化。
其次，接口的实现类在初始化时同样不会执行接口的类构造器< clinit >方法。

6).java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和同步，如果多个线程同时去初始化一个类，只会有一个线程去执行这个类的< clinit >方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行< clinit >方法完毕。
初始化阶段，当执行完类构造器< clinit >方法之后，才会执行实例构造器的< init >方法，实例构造方法同样是按照先父类，后子类，先成员变量，后实例构造方法的顺序执行。

注：需要注意的是，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行< clinit >()方法的那条线程退出< clinit >()方法后，其他线程唤醒之后不会再次进入< clinit >()方法。同一个类加载器下，一个类型只会初始化一次。