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JVM类加载机制

@(Java)[JVM|类文件结构]

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基本介绍

• JVM的类加载机制：JVM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JVM直接使用的Java类型。

Java中，类型的加载和连接过程都是在程序运行期间完成的。这样的特性体现在Java的动态扩展特性。（例如编写一个使用接口的应用程序，可以等到运行时再指定实际的实现）

类加载的时机

• 类从被加载到JVM，到卸载出内存，整个生命周期包括；加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。其中验证、准备和解析三个部分统称为连接。

类加载顺序

• 其中，加载、验证、准备、初始化和卸载的顺序是确定的。但是解析阶段不一定：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的运行时绑定（动态绑定）。

1. 什么时候开始类加载过程的第一阶段：加载？
   JVM并没有强制规定，可以交给JVM的具体实现自由把握。
2. 什么时候开始类加载过程的初始化阶段？
   JVM规定有且只有四种情况必须立即对类进行初始化。
   1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic命令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发初始化。常见的场景是：使用new实例化对象、读取或设置一个类的静态字段，调用一个类的金泰方法。
   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，如果其父类还没有被初始化，则需要触发父类的初始化。
   4. 当JVM启动，需要执行main方法的主类，需要被触发初始化。

1. 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，通过子类来引用父类中的静态字段，只会触发父类的初始化，而不会触发子类的初始化。
2. 通过数组定义来引用类，并不会触发此类的初始化。
3. 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上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。

类加载的过程

加载

在加载阶段，JVM需要完成的工作：

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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口。

“通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流”，并没有指明二进制字节流是否要从Class文件获取。因此在加载阶段，可以使用系统提供的类加载器完成，也可以由用户自定义的类加载器完成，控制获取字节流的方式。

加载阶段和连接阶段交叉进行。

验证

验证是连接阶段的第一步，目的是为了确保Class文件的字节流包含的信息是否符合JVM要求。

大致包含四个验证过程：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

1. 文件格式验证
   验证字节流是否符合Class文件格式规范，并且能被当前版本的JVM处理。
2. 元数据验证
   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，主要验证点有：
   1. 这个类是否有父类。
   2. 这个类的父类是否继承了不可被继承的类。
   3. 如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或者接口要求实现的所有方法。
   4. 类中的字段、方法是否与父类产生了矛盾。
3. 字节码验证
   进行数据流和控制流分析，保证被校验类的方法在运行时不会有危害JVM安全的行为。
4. 符号引用验证
   发生在JVM将符号引用转化为直接引用的时候。主要的验证点如下：
   1. 符号引用中通过字符串描述的全限定名能否找到对应的类。
   2. 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符及简单名称所描述的方法和字段。
   3. 符号引用中的类、字段和方法的访问性是否可被当前类访问。

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。这些内存都将在方法区中进行分配。

• 这个时候进行内存分配的仅包括类变量，而不包括实例变量。实例变量在对象实例化的时候随着对象一起分配在Java堆中。
• 这里说的初始值通常情况下是数据类型的零值。

解析

解析阶段是JVM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，符号可以是任何形式的字面量，其引用的目标并不一定已经加载在内存中。
2. 直接引用：直接引用直接指向目标的指针、相对偏移量或者一个能间接定位到目标的句柄。如果有了直接引用，那么引用的目标必定已经在内存中。

JVM可能会对第一次解析的结果进行缓存，从而避免解析动作重复进行。

• 解析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。

初始化

在准备阶段，变量已经赋过一次值，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。换句话说，初始化阶段是执行clinit方法的过程。

1. clinit方法是由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并产生的。编译器收集的顺序由语句在源文件中出现的顺序决定。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中可以赋值，但不能访问。
2. clinit方法与类的构造方法init不同，它不需要显示的调用父类构造方法，JVM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JVM中第一个被执行的clinit方法的类一定是java.lang.Object.
3. 由于父类的clinit方法先执行，意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类变量的赋值操作。
4. clinit方法对于类或者接口来说不是必须的，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该类生成clinit方法。
5. 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。但不同的是，执行接口的clinit方法时不需要执行父接口的clinit方法。只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。另外，接口的实现累在初始化时也一样不会执行接口的clinit方法。
6. JVM保证一个类的clinit方法在多线程环境中被正确的加锁和同步。如果多个线程同时初始化一个类，那么只会有一个线程执行这个类的clinit方法，其他线程都需要阻塞等待。