加载、链接和初始化（java高级编程1.2.5）

JVM：加载、链接和初始化

JVM要解释Java字节码，就必须对所需的类和接口执行如下3步操作：

(1) 加载：JVM在加载类时，会查找该类或该接口的二进制表示，并根据找到的二进制表示(通常是由Java编译器创建的类文件)创建一个Class对象。该Class对象中封装了类或接口的运行时状态。

(2) 链接：链接这一过程是指取得已加载的类或接口、结合JVM运行时环境、准备执行该类或该接口。

(3) 初始化：初始化是指JVM调用该类或该接口的初始化方法。

1. 第一步

启动一个单机Java程序时，JVM首先做的是另外创建一个Class对象，用于表示包含public static void main(String [ ] args)方法的Java类。然后JVM会链接并初始化该Java类，调用main()方法，并用main()方法驱动所引用的其他类和接口的加载、链接和初始化过程。

2. 加载

加载过程是由类加载器完成的，该加载器是ClassLoader的子类，并且该类加载器会对所加载的类或接口进行一些校验检查。当表示已编译类或接口的二进制数据有错，则类或接口使用的类文件格式版本不被支持，类加载器找不到类或接口的定义，或者如果出现类循环，都会抛出异常。类循环是指类或接口的父类是其自身的情况。

类加载器一般有两种类型：由JVM提供的引导类加载器(bootstrap class loader)和用户定义的类加载器。用户定义的类加载器也是Java的ClassLoader类的子类，用于从非标准的、用户定义的源创建Class对象，以便提高安全性。例如，从加密文件中提取Class对象。一个加载器可以将部分甚至整个加载过程委托给另一个加载器。最终生成Class对象的加载器称为定义加载器(defining loader)，而开始该加载过程的加载器称为启动加载器(initiating loader)。

使用默认引导类加载器的加载过程如下：根据所要加载的类文件，引导类加载器会判断自身是否已经成为该类的启动加载器。如果是，则Class对象存在，加载器停止(注意，加载一个类并不等于创建该类的一个实例，这一步骤仅仅是在JVM中加入该类)。如果类还没有加载，则加载器会搜索对应的类文件，并在找到后根据该类文件创建Class对象。如果找不到类文件，那么就会产生NoClassDefFoundError异常。

使用用户定义类加载器时，整个加载过程稍有不同。与引导加载器一样，用户定义的加载器首先判断自身是否已经成为目标类文件的启动加载器。如果是，则Class对象已经存在，加载器停止，而如果不是，用户定义的加载器会调用loadClass()方法。loadClass()方法返回所需的类文件并将表示类的二进制字节装配成ClassFile结构，然后调用defineClass()方法，由该方法从ClassFile结构创建Class对象。另外，loadClass()方法也可以将加载过程委托给另一个类加载器。

3. 链接

链接过程的第一步是校验需要链接的类文件。

Java类文件校验

由于JVM与Java编译器是完全分离的，因此，用来解释类文件的JVM无法保证类文件的形式正确，甚至无法保证该文件确实由Java编译器所生成。另一个问题在于继承与类兼容性。如果给定类文件所表示的类继承自另一个类文件表示的父类，那么JVM必须确保该子类的类文件与父类的类文件兼容。

JVM会校验每个类文件是否满足Java语言规范对类文件的约束，不过Java类校验器与Java语言无关。用某些其他语言编写的程序同样也能编译成类文件格式，编译之后，该类文件也能通过校验过程。

校验过程分为4个步骤：

(1) 第一步由JVM加载类文件并检查文件是否符合类文件的基本格式。类文件的长度必须准确。类文件必须确实表示类(检查其中一个特殊数字)。常量池中不能包含任何不可识别的信息，并且每个属性的长度正确。

(2) 校验过程的第二步在文件链接时进行。这一步执行的操作包括确保final关键字约束的保留。这表示final类不能派生子类，final方法也不能被重写。然后确保常量池中的元素符合Java语言的规定。验证常量池中的所有字段和方法引用，并检查每一个类(Object类除外)是否具有直接父类。

(3) 第三个校验步骤也在链接阶段进行。这一步检查类文件中引用的每一个方法，确保符合Java语言对方法的规定。方法调用中参数的数量和类型必须正确。操作数栈必须总保持相同大小，并包含相同类型的值。局部变量在访问前应当包含合适的值。必须为字段指定正确类型的值。

(4) 校验的最后一步是处理第一次调用方法时出现的事件，并保证一切按规范进行。这些检查包括：确保给定类中存在某个引用的字段或引用的方法，确认引用的字段或引用的方法具有正确的描述符，并确保一个方法在运行时能够访问该引用字段或引用方法。

准备

在校验类文件之后，JVM准备初始化类，包括为类变量分配内存空间并设置为默认初始值。这些值是标准的默认值，例如int类型为0，Boolean类型为false等。在初始化阶段，这些值会设为程序相关的默认值。

解析

在这一可选的步骤中，JVM把运行时常量池中引用的符号解析成具体值。

4. 初始化

链接过程完成后，会调用静态字段和静态初始化器。静态字段的值即使在类没有实例化时也能够访问得到，而静态初始化器用于单个表达式无法表示的静态初始化。JVM把所有这类初始化器收集到一个特殊的方法中。例如，类所有初始化器的集合就是初始化方法。

不过，JVM在初始化一个类时不仅需要调用该类的初始化方法(只有JVM能够调用)，而且需要初始化所有的父类(即需要调用这些父类的)。结果就是，总是需要最先初始化Object类。另外，包含应用程序main()方法的类总是要初始化。