深入理解 Java 虚拟机：类的加载过程

类的生命周期

类从被加载到虚拟机内存中，到卸载出内存为止，整个生命周期包含：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。

其中 类的加载过程 包含：加载、验证、准备、解析、初始化

验证、准备、解析 统称为 连接

加载

类加载的三步骤：

1. 通过一个类的 全限定名 获取定义此类的 二进制字节流
2. 将字节流所代表的 静态存储结构 转化为 方法区的运行时数据（永久代的常量池）
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

非数组类的加载：
一个 非数组类 的 加载过程（准确的说是加载阶段中获取二进制流的动作） 是开发人员可控性最强的，加载阶段 可使用系统提供的 引导类加载器来完成，也可以由 用户自定义加载器 去完成，开发人员可以通过 自定义类加载器 去控制 字节流 的获取方式（即重写一个类加载器的 loadClass() 方法）。

数组类的加载：
数组类 的本身并不通过 类加载器 创建，它由 Java 虚拟机直接创建。但数组类的 元素类型，最终要靠 类加载器 去创建。

验证

目的： 这一阶段是为了确保 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

文件格式验证

保证输入的字节流能 正确地解析并存储于方法区之内，格式上符合 Java 的信息要求，成功后字节流会被读入 方法区 中进行存储，所以后续的 3 个验证阶段都是基于方法区中的存储结构，不再操作字节流。

验证的内容：

1. 是否以魔数 0xCAFEBABE 开头
   0xCAFEBABE（咖啡宝贝？） 是 Java 编译后 Class 文件的开头标识，有这个说明是 Java 的 Class 文件
2. 主、次版本号是否在当前虚拟机的处理范围内
   不少人应该都遇到过，由于 JDK 版本太低，导致的 major.minor version 52.0，百度下发现要用 JDK8
3. 常量池中的常量是否有不被支持的类型（检查常量 tag 标志）
4. CONSTANT_Utf8_info 型的常量中是否有不符合 UTF-8 编码的数据
5. 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
6. … …

元数据验证

对类的元数据进行验证，保证 不存在不符合 Java 语言规范的元数据信息。

验证内容：

1. 这个类是否有父类（除了 Object 类都应该有父类）。
2. 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被 final 修饰的类）。
3. 如果这个类不是抽象类，是否实现了 父类 或接口 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（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，但返回值类型却不同等）。

字节码验证

最复杂的阶段，通过数据流和控制流的分析，确认软件语义是 合法、符合逻辑 的，保证被校验类的方法 在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件。

例如：

1. 保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作。
2. 保证指令不会跳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。
4. … …

符号引用验证

验证虚拟机将 符号引用 转化为 直接引用 时，进行的 匹配性校验。

验证内容：

1. 符号引用中通过 全限定名 是否能找到对应的类。
2. 在指定类中是否存在 符合方法的字段描述 以及 简单名称所描述的方法和字段。
3. 符号引用的中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可以被当前类访问。
4. … …

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

初始值为零值：
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
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

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，例如：

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 的设置将 value 赋值为 123`。

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。

符号引用与直接引用：

• 符号引用： 以一组符号来描述所引用 目标，符号可以是 任何形式的字面量，只要使用是能 无歧义的定位到目标即可。符号引用与虚拟机内存布局无关，引用的目标 并不一定加载导内存中，符号引用的字面量形式明确定义在 Class 中。
• 直接引用： 直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或者一个能 能间接定位到目标的句柄。如果有 直接引用，那引用的目标 必定已经在内存中存在。

解析动作的目标：
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

注：解析的过程比较复杂，具体可以参考《深入理解java虚拟机》，个人认为大致了解即可

初始化

在 准备阶段 变量已经经过了初始值（零值）的赋值，而在 初始化阶段 将根据 程序员的主观意愿去初始化变量和其他资源。初始化阶段是执行 类构造器 () 方法 的过程。

类构造器 ()：

• () 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 static{} 的语句合并产生的。静态语句块中 只能访问到静态语句块之前的变量，之后的变量只能赋值不能访问。

public class Test {
	static {
		// 给变量赋值可以正常通过
		i = 0;
		//编译报错，提示 “非法向前引用”
		System.out.println(i);
	}
	static int i = 0;
}

• () 方法与类的构造函数不同，它不需要显示的调用父类构造函数，虚拟机会保证子类的 () 调用之前，父类的 () 方法已经执行完毕。因此虚拟机第一个被加载的 () 肯定是 java.lang.Object。
• 如果一个类 没有静态语句块，则 不会生成 ()。
• 接口不能使用静态语句块，但是依然有 变量初始化 的赋值操作，因此也会生成 ()。但接口与类不同，接口不需要先执行父类接口的 () 方法。只有当 接口中的变量使用时，父接口才会吃实话，另外，接口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 () 方法在多线程环境下是正确的加锁、同步，多个线程去初始化一个类是，只会有一个类执行 ()，其他的阻塞等待。

总结