《深入理解Java虚拟机》笔记--类加载机制

类加载机制

虚拟机把描述类等数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转化解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型。

• 类型的加载、链接、初始化过程都是在程序运行期间完成的
• Java动态拓展的语言特性就是依赖于运行期动态加载和动态链接

1.类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存中开始到卸载出内存为止，整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载七个阶段。其实。验证、准备、解析3个部分统称为链接。

• 七个阶段是按顺序“开始”，而不是按顺序“进行”或者“完成”，因为这些阶段通常都是交互进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活下另外一个阶段
• 什么时候需要开始类加载的第一个阶段（加载）？虚拟机规范中被没有强制约束，所以可以交给虚拟机的具体实现自由把握
• 初始化阶段强制规定有切只有5中情况必须对类进行“初始化”（而加载、校验、准备、解析自然需要在此之前）

1. 遇到new、getstatic、putstatic、或invokestatic这4条字节码指令时，如果没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令最常见的Java代码场景时：使用new关键字实例化对象的时候、读取或者设置一个类的静态字段（被finale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包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要触发其初始化。
   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，则需要先触发其父类的初始化。
3. 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。
4. 当使用JDK1.7动态语言支持时，如果java.lang.invoke.MethonHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatia的方法句bing，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要触发其初始化。

• 当一个类在初始化，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口初始化时，并不要求其父接口全部都完成初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

2.类加载的过程

2.1.加载

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成方法区的数据结构
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（并没有明确规定所在Java堆中，对HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽然所对象，但是存放在方法区里面）

• 加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流将按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中
• 加载阶段与连接阶段的部分内容时交叉进行的，加载阶段未完成，连接阶段可能已经开始，但在这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的顺序

2.2验证

验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理

• 1.文件格式验证阶段：

1. 前4个字节是否以魔数 0xCAFFBABF开头
2. 魔数后（2+2个字节）的主次版本号是否在当前虚拟机处理范围内
3. 常量池中是否有不被支持的常量类型
4. 指向常量的各种索引是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量
   ......

主要验证是基于二进制字节流进行的，只有通过文件格式验证后，字节流才会进入内存的方法区进行存储

• 2.3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

1. 这个类是否有父类（出了顶级object类，所有的类都应该有父类）
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之中要求实现的所有方法
   ......

• 2.4字节码验证
  通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。
• 4.符号引用验证
  最好一个验证阶段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。

2.3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，实例变量将在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中
• 上面说的初始值“通常情况”下说数据类型的零值。赋值用户定义的值需要在初始化阶段。比如
  public static int value =123
  非“通常情况”为
  public static final int value =123

2.4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：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，与虚拟机实现的内存布局无关
• 直接引用：可以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，与虚拟机实现的内存布局相关
• 解析动作主要针对一下七种：类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄、限定符

2.5初始化

真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码），是执行类构造器()方法的过程
造器()方法的描述

• ()方法由编译器自动收集类中所有的类变量的赋值动作和静态语句看（static{}块）中的语句合并产生，编译器收集说顺序是由语句在原文件中出现的顺序所决定的，静态语句快中只能访问到定义在静态语句快之前到变量，定义在它之后的变量可以赋值，但是不能访问。如下代码：非法向前引用

public class demo{
        static {
              i =0;
              System.out.pring(i); //编译器提示“非法向前引用"
        }
        static int i = 1;
}

• ()方法与类构造函数（实例构造器()方法）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()方法执行前，父类的()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的()方法的类肯定是java.lang.Object
• ()方法由于父类的()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作
• ()方法对于类或接口来说不是必须的，因为一个类中如果没有静态语句快，自然就没有对类变量赋值的操作，那么编译器可以不为这个类生成()方法
• 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。只要父接口的变量使用时，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()方法的在多线程环境中的同步安全

3类加载器

虚拟机团队把类加载阶段的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。（热修复，热更新等等）这个动作的代码模块称为“类加载器”
绝大部分Java程序都有用到以下3种系统提供的类加载器

1. 启动类加载器
2. 拓展类加载器
3. 应用程序类加载器

• 比较两个类是否“相等”只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源以同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载他们的类加载不同，那这两个类就必定不相等
• 双亲委派机制：如果一个类加载器收到一个类加载请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的类加载请求最终都应该传送到顶层的启动类的加载器中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个请求（它的搜索范围没有找到所需的类）时，自加载器才会尝试自己去加载。好处是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系

本文中的一些名词解释，比如魔数，字面量等等可看美团的这篇连接