深入理解Java虚拟机：虚拟机类加载机制

    虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行检验、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。

---

类加载过程

    从类被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，类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）和卸载（Unloading）7个阶段。其中准备、验证、解析3个部分统称为连接（Linking）。如图所示。

被动引用

/**
*通过子类引用父类的静态成员，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

加载

    在加载阶段（可以参考java.lang.ClassLoader的loadClass()方法），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（并没有指明要从一个Class文件中获取，可以从其他渠道，譬如：网络、动态生成、数据库等）；
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；

    加载阶段和连接阶段（Linking）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。

---

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。

    验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

1.文件格式验证

• 是否以魔数 0xCAFEBABE开头。
• 主、次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内。
• 常量池中的常量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。
• 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本身是否有被删除的或附加的其他信息。
  ……..

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.Obect 之外，所有的类都应当有父类）。
• 这个类的父类是否有继承了不允许继承的类（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、方法是否有于父类产生矛盾（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。例如方法参数一致，但返回值类型却不同等。）

3.字节码验证

    这个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。

• 保证任意时刻才做数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现类似这样的情况：在操作栈放置了一个 int 类型的数据，使用时却按 long 类型来加载入本地变量表中。
• 保证跳转指令不回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的，完全不想干的一个数据类型，则是危险、不合法的。
  ………..

    JDK1.6之后的Javac编译器进行了一项优化，给方法体的Code属性的属性表中增加了一项新属性：StackMapTable，该属性保存了方法体中的类型信息，可以使字节码验证时的类型推导变为类型检查从而节省时间。在JDK1.6的HotSpot虚拟机中提供了-XX:-UseSplitVerifier选项来关闭这项优化，或者使用-XX:+FailOverToOldVerifier选项在类型检查失败时退回到使用类型推导方式进行校验

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()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。

    至于“特殊情况”是指：public static final int value=123，即当类字段的字段属性是ConstantValue时，会在准备阶段初始化为指定的值，所以标注为final之后，value的值在准备阶段初始化为123而非0.

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。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。

    符号引用(Symbolic References)：符号引用是一组符号来描述所引用的目标对象，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，引用的目标对象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，因此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对象的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是与虚拟机内存布局实现相关的，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。

初始化

    类初始化阶段是类加载过程的最后一步，到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的java程序代码。在准备极端，变量已经付过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序猿通过程序制定的主管计划去初始化类变量和其他资源，或者说：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赋值动作和静态语句块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所决定的，静态语句块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。如下：

public class Test
{
    static
    {
        i=0;
        System.out.println(i);//这句编译器会报错：Cannot reference a field before it is defined（非法向前应用）
    }
    static int i=1;
}

    ()方法与实例构造器()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()方法执行之前，父类的()方法方法已经执行完毕，回到本文开篇的举例代码中，结果会打印输出：SSClass就是这个道理。

    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。

    ()方法对于类或者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产()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()方法。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的加锁、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，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行()方法完毕。如果在一个类的()方法中有好事很长的操作，就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是隐藏的。

public class DealLoopTest
{
    static class DeadLoopClass
    {
        static
        {
            if(true)
            {
                System.out.println(Thread.currentThread()+"init DeadLoopClass");
                while(true)
                {
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args)
    {
        Runnable script = new Runnable(){
            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：（即一条线程在死循环以模拟长时间操作，另一条线程在阻塞等待）

Thread[Thread-0,5,main] start
Thread[Thread-1,5,main] start
Thread[Thread-0,5,main]init DeadLoopClass

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

static
        {
            System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
            try
            {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
            }
            catch (InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    运行结果：

Thread[Thread-0,5,main] start
Thread[Thread-1,5,main] start
Thread[Thread-1,5,main]init DeadLoopClass (之后sleep 10s)
Thread[Thread-1,5,main] run over
Thread[Thread-0,5,main] run over

    将上面代码中的静态块替换如下：

    对于初始化阶段，虚拟机规范有且仅有5种情况必须立即对类进行初始化：

1. 遇到new（使用new关键字实例化对象）、getstatic（获取一个类的静态字段，final修饰符修饰的静态字段除外）、putstatic（设置一个类的静态字段，final修饰符修饰的静态字段除外）和invokestatic（调用一个类的静态方法）这4条字节码指令时，如果类还没有初始化，则必须首先对其初始化。
2. 使用java.lang.reflect包中的方法对类进行反射调用时，如果类还没有初始化，则必须首先对其初始化。
3. 当初始化一个类时，如果其父类还没有初始化，则必须首先初始化其父类
4. 当虚拟机启动时，需要指定一个主类（main方法所在的类），虚拟机会首选初始化这个主类
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。