Java虚拟机类加载机制个人总结

类加载的生命周期

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载处内存为止，它的生命周期包括了:加载(Loading)，验证(Verification),准备(Preparation)，解析(Resolution)，初始化(Initialization)，使用(Using)和卸载(Unloading)七个阶段，其中验证，准备，解析三个部分称为连接(Linking)，发生顺序如下:

图中加载，验证，准备，初始化和卸载五个阶段是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序开始，而解析阶段不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，是为了支持java动态绑定，注意这里是按部就班的开始，而不是按部就班的进行或者完成，因为这些阶段通常相互交叉地混合进行，通常会在一个阶段的执行过程中调用或者激活另一个阶段。虚拟机规范中并没有对什么情况下需要开始进行加载做强制约束，但是对于初始化阶段，虚拟机规范是严格规定了有且只有四种情况立即对类进行"初始化"(加载，验证，准备自然要在初始化之前开始)。四种情况如下

1）遇到new,getstatic,putstatic或者invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行初始化，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，读取或者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包的方法对类进行发射调用的时候，如果类没有进行初始化，则需要先触发初始化。

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，则需要先触发其父类的初始化。

4）当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的那个类)，虚拟机会先初始化这个主类

这四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。

被动引用例子1：

/**
 * 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);
    }
}

显然输出的结果只会是： SuperClass init 

123

被动引用例子2：

/**
 * 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[] sca = new SuperClass[10];
    }
}

代码运行后并没有输出"SuperClass init",但是这段代码触发了另外一个名为"[LSuperClass"的类初始化阶段，它是虚拟机自动生成的，直接继承自java.lang.Object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SuperClass的一维数组

被动引用3：

/**
 * 常量在编译阶段会被存入到调用类的常量池中，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类的初始化
 */
public class ConstantClass {
    static {
        System.out.println("Constant init!");
    }
    public static final String HELLO = "Hello World";
}

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

上述代码也并没有输出"ConstantClass init"，这是因为虽然在java代码中引用了ConstantClass类中的常量HELLO，但是编译阶段将此常量的值"Hello World"存储到了NotInitialization类的常量池中，对常量ConstClass.HELLO引用实际都转化为NotInitialization类对自身常量池的引用了。

接口和类的初始化有一点小小的区别：当一个类在初始化时，要求父类全部已经初始化了，但是一个接口初始化时，并不要求父接口全部完成初始化，只有在真正使用到父接口的时候，才会初始化。

加载

在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

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(注意：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要从一个Class文件中获取，准确的说并没有指明要从哪里获取以及怎样获取)

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

获取二进制字节流的方式有多种：

a.从ZIP包中读取，最终成为日后JAR,EAR,WAR格式的基础

b.从网络中获取，最常见的就是Applet

c.运行时计算生成，这种场景用的最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生成*￥Proxy的代理类的二进制字节流

d.从其他文件生成，典型场景:JSP应用

e.从数据库中读取,有些中间件服务器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

类加载阶段是开发期可控性最强的阶段，因为加载阶段既可以使用系统提供的类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器完成，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，虚拟机规范为规定此区域的具体数据结构。然后在Java堆中实例化一个java.lang.Class类的对象，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。

验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的主要是确保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。如果验证到输入的字节流不符合Class文件的存储格式，就抛出一个java.lang.VerifyError异常或其子类异常，但是具体应当检查哪些方面，如何检查，何时检查，都没有强制要求或者明确说明，但是大致都会完成下面四个阶段的校验过程: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

第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能够被当前版本的虚拟机处理，这一阶段可能包括：

a.是否以魔数0xCAFEBABE开头

b.主次版本号是否在当前虚拟机处理范围

c.常量池的常量中是否有不被支持的常量类型(检查常量tag标志)

d.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

e.CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据

f.Class文件中各个部分以及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息

这一阶段的主要目的是保证输入的字节流能够被正确解析并存储于方法区之内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。这阶段的验证是基于字节流进行的，经过了这个阶段的验证之后，字节流才会进入到内存的方法区中进行存储，所以后面的三个验证阶段全部都是基于方法区的存储结构进行的。

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:

a.这个类是否有父类(除了java.lang.Object之外，所有的类都应该有父类)

b.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)

c.如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类接口之中要求实现的所有方法

d.类中的字段，方法是否与父类产生了矛盾(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是返回值类型却不相等)

第二阶段的主要目的就是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

3.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，主要工作是进行数据流和控制流分析。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这阶段将对类的方法体进行校验分析。这阶段的任务是保证被校验类 方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为，例如

a.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，例如不会出现在操作栈中放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表

b.保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上

c.保证方法体中的类型转换是有效的，理他可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，但是不能把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋给与它毫无继承关系，完全不相干的一个数据类型，则是危险和不合法的。

如果一个类方法体的字节码没有通过字节码验证，肯定是有问题的，但如果一个方法体通过了字节码验证，也不能说明一定是安全的，由于数据流验证的高复杂性，虚拟机设计团队在JDK1.6之后的Javac编译器中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名为"StackMapTable"的属性，这项属性描述了方法体中所有的基本块开始时本地变量表和操作栈应有的状态，这可以将字节码验证的类型推导转变为类型检查从而节省一些时间。在JDK1.6的HotSpot虚拟机中提供了-XX:-UseSpitVerifier选项来关闭掉这项优化，或者使用参数-XX:+FailOverToOldVerifier要求在类型校验失败的时候退回到旧的类型推导方式进行校验。而在JDK1.7之后，对于主板本号大于50的Class文件，使用类型检查来完成数据流分析校验是唯一的选择，不允许退回到类型推导的校验方式。

4.符号引用验证

最后一个阶段的校验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个阶段-解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外(常量池内的各种符号引用)的信息进行匹配性的校验，通常需要校验以下内容:

a.符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能够找到对应的类

b.在指定类中是否存在符号方法的字段描述符以及简单名称所描述的字段和方法

c.符号引用中的类，字段和方法的访问性(private protected,public,default)是否可被当前类访问

符号引用验证的目的是确保解析动作能够正常执行，如果无法通过符号引用验证，将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类，如java.lang.IllegalAccessError,java.lang.NoSuchFieldError,java.lang.NoSuchMethodError等，验证阶段对于虚拟机的类加载机制来说，是一个非常重要但不一定必要的节点，如果所运行的全部代码都已经被反复使用和验证过，在实施阶段就可以使用-Xverify:noe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

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化的阶段，这些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Java堆中，其次这里说的初始值"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;

那么变量value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。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，那么准备阶段变量就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，假设上面类变量value定义为：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的设置将value赋值为123.

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，符号引用在Class文件中CONSTANT_Class_info，CONSTANT_Fieldref_info,CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现，那么解析阶段中所说的直接引用于符号引用又有什么关联呢？

符号引用(Symbolic References):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了。

直接引用(Direct References):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。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同的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存在于内存中。

虚拟机规范并未规定解析阶段发生的具体时间，只要求在执行anewarray,checkcast,getfield,getstatic,instanceof,invokeinterface,invokespecial,invokestatic,invokevirtual,multianewarray,new,putfield和putstatic这13个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用的符号引用进行解析。所以虚拟机实现会根据需要来判断，到低是在类被加载器加载时就对常量池内的符号引用进行解析，还是等到一个符号引用将要被使用前才会去解析它。对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情，虚拟机实现可能会对第一次解析结果进行缓存(在运行时常量池内记录直接引用，并把常量标识为已解析状态)从而避免解析动作重复进行。无论是否执行了多次解析动作，虚拟机都要保证同一个实体中，如果一个符号引用之前被成功解析过，那么后续的引用解析请求就应该一直成功；同样的，如果第一次解析失败了，其他指令对这个符号的解析请求也应该收到相同的异常。

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，分别对应常量池CONSTANT_Class_info，CONSTANT_Fieldref_info，CONSTNT_Methodref_info以及CONSTANT_InterfaceMethodref_info四种常量类型

1.类或接口的解析

假设当前代码所处的类为D,如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用，那虚拟机完成解析的过程需要包括以下3个步骤:

1）如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C.在加载过程中，由于元数据验证，字节码验证的需要，又将可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或实现的接口，一旦加载过程出现了任何异常，解析过程就宣告失败。

2)如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象也就是N的描述符会是类似"[Ljava.lang.Intefer"的形式，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型，如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是"java.lang.Integer",接着由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。

3)如果上面的步骤没有出现异常，那么C在虚拟机中实际已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认C是否具备对D的访问权限，如果不具备访问权限，将会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

2.字段解析

要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。如果在解析这个类或者接口符号引用的过程中出现了任何异常，都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功完成，那么将这个字段所属的类或接口用C表示，虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索：

1）如果C本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。

2）否则，如果在C中实现了接口，将会按照继承关系从上往下递归搜索各个接口和它的父接口，如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。

3）否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从上往下递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。

4）否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

如果查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，将会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

3.类方法解析

类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也就是需要先解析出类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，我们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的类方法搜索:

1)类方法有接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class_index中索引的C是一个接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常

2）如果通过了(1)，在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。

3）否则，在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束

4）否则，在类C实现的接口列表以及它们的父接口中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法如果存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，这时候查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

5）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError.

最后，如果查找过程成功返回了直接引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不具备对此方法的访问权限，将会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

4.接口方法解析

接口方法也是需要先解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，依然用C表示这个接口，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索：

1）与类方法解析相反，如果接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常

2）否则，在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。

3）否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类为止，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。

4）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常

由于接口中的所有方法默认都是public的，所以不存在访问权限的问题，因此接口方法的符号解析应当不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全都是由虚拟机主导和控制，到了初始化阶段才真正开始执行类中定义的Java程序代码。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，则是根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化变量和其他资源，或者可用从另一个角度表达:初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。下面是一些()方法执行过程中可能会影响程序运行行为的一些特点和细节

a.()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{}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中可以赋值，但是不能访问。

b()方法与类的构造方法(或者说实例构造器())不同，它不需要显示的调用父类构造器，虚拟机会保证子类的()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕。因此在虚拟机第一个被执行的()方法的类肯定是java.lang.Object

c.由于父类()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优于子类的变量赋值操作

d.()方法对于类或接口来说并不是必须的，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这个类生成()方法

e.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被使用时，父接口才会被初始化。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。

f.虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加载和同步，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，那可能造成多个进程阻塞。

参考：深入理解java虚拟机