JVM09-类加载过程

这一篇我们来学习一下JVM中的类加载过程。说到类的加载过程，我们需要先了解一下JVM中类的生命周期。在JVM中类的生命周期有七个阶段。分别是：

1. 加载（Loading）：加载是通过类加载器从不同的地方加载进二进制字节流，类加载器可以参考类加载器与双亲委派模型
2. 验证（Verification）：验证阶段是为了确保Class文件的字节流中包含的信息是否符合《JVM虚拟机规范》的全部约束要求。
3. 准备（Preparation）：准备阶段是为静态资源分配内存，并赋初始值
4. 解析（Resolution） ：解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换成直接引用的过程
5. 初始化（Initialization）：根据静态变量的赋值语法和静态代码块语法，生成一个初始化方法并执行。
6. 使用（Using）:
7. 卸载（Unloading）: 如果该类所有的实例都已经被回收，也就是java堆中不存在该类的任何实例。不过由JVM自带的类加载器加载的类，在JVM的生命周期中，始终不会被卸载。
   其中，验证、准备、解析三个部分统称为连接（Linking）。而加载，验证，准备，解析，初始化这五个阶段组成了类加载过程。

加载

加载阶段是整个类加载过程中的一个阶段，加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情。

1. 通过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。
   《Java虚拟机规范》中没有指明要从哪里获取，如何获取。所以我们获取的方式有很多种，比如：
   A. 从ZIP压缩包中读取，这很常见，各种JAR,WAR格式的压缩包均是这种形式
   B. 从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Web Applet。
   C. 运行时计算生成，这种场景使用最多的就是动态代理技术，就是用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。
   D. 由其他文件生成，典型的场景是JSP应用，由JSP文件生成对应的Class文件。

验证

加载完成之后，就是验证，验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。大致上会完成下面四个阶段的验证动作。

文件格式验证

验证字节流是否符合Class文件格式的规范;例如：是否以魔术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类型。

元数据验证

对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比Javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的
信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了Java.lang.Object之外。

字节码验证

第三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分析和控制流分析，
确定程序语义是合法的、符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型校验完毕以后，
这阶段就要对类的方法体（Class文件中的Code属性）进行校验分析，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行为。

符号引用验证

最后一个阶段的校验行为发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，
这个转化动作将在连接的第三阶段-解析阶段中发生。符号引用验证可以看作是对类自身以外的
各类信息进行匹配性校验，通俗来说，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、
字段等资源。

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Java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等7类符号引用进行，分别对应常量池的CONSTANT_Class_info、CON-STANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_Dyna_info和
CONSTANT_InvokeDynamic_info 8种常量类型。
其中符号引用（Symbolic Reference）: 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是已经加载到虚拟机内存当中的内容。
直接引用： 直接引用是可以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。直接引用是和虚拟机实现的内存布局直接相关的。同一个符合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虚拟机的内存中存在。

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。进行准备阶段时，变量已经赋过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。我们也可以从另外一种更直接的形式来表达；初始化阶段就是执行类构造器()方法的过程。() 并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物，但我们非常有必要了解这个方法具体是如何产生的。以及()方法执行过程中各种可能会影响程序运行行为的细节。
() 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可以赋值，但是不能访问。如下代码所示：

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;
     }

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解锁、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()方法中有耗时很长的操作，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。

  package jvm.classload;
   
  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，一个类型之后初始化一次。
将上面代码中的静态块替换如下：

  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

虚拟机规格严格规定了有且只有5种情况（jdk1.7）必须对类进行"“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,invokestatic这四条字节码指令时，如果类米有进行初始化，则需要先出发其初始化。
生成这4条指令的最常见的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、已在编辑器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，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先出发其父类的初始化。
4、当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包括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初始化，则先要先触发其初始化。

开篇已经举了一个范例：通过子类引用赋了的静态字段，不会导致子类初始化。
这里再举两个例子。
1、通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化：（SuperClass类已经在本文开篇定义）

   public class NotInitialization
   {
       public static void main(String[] args)
       {
           SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
       }
   }

运行结果:(无)
2、常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质并没有直接引用定义常量的类，因此不会触发定义常量
的类初始化：

  public class ConstClass
  {
      static
      {
          System.out.println("ConstClass init!");
      }
      public static  final String HELLOWORLD = "hello world";
  }
  public class NotInitialization
  {
      public static void main(String[] args)
      {
          System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
      }
  }
  

运行结果:hello world

总结

本文主要是摘抄了《深入理解Java虚拟机》的相关章节，详细介绍了Java类加载过程。