Java类加载机制

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类编译

类编译，即 .java 文件通过javac命令编译成 .class 文件，才能在虚拟机上正常运行代码。可以通过 javap查看class文件包含信息。

重点：编译后的字节码文件主要包括常量池和方法表集合这两部分

常量池：主要记录的是字节码文件中出现的字面量以及符号引用
- 字面常量包括字符串常量（例如 String str=“abc”，其中”abc”就是常量），声明为 final 的属性以及一些基本类型（例如，范围在 -127-128 之间的整型）的属性。
- 符号引用包括类和接口的全限定名、类引用、方法引用以及成员变量引用（例如 String str=“abc”，其中 str 就是成员变量引用）等。
方法表集合
- 包含一些方法的字节码、方法访问权限（public、protect、prviate 等）、方法名索引（与常量池中的方法引用对应）、描述符索引、JVM 执行指令以及属性集合等。

类加载流程

类从被加载到虚拟机内存到卸出内存为止，类加载的整个生命周期分为加载-连接-初始化三个阶段。

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1. 加载阶段：

加载阶段是指将字节码数据（类的.class文件的二进制数据）从不同的数据源读取到 JVM内存中，放在方法区内，在堆中创建java.lang.Class对象，封装方法区内的数据结构。

字节码数据源可以来自于磁盘文件 *.class，也可以是 jar 包里的 *.class，也可以来自远程服务器提供的字节流，字节码的本质就是一个字节数组 []byte，有特定的复杂的内部格式。如果输入数据不是 ClassFile 的结构，则会抛出 ClassFormatError。

加载过程完成以下三步：

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
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存储结构。
在内存中生成一个代表这个类的 Class 对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

加载阶段即可以使用系统提供的类加载器在完成，也可以由用户自定义的类加载器来完成。加载阶段与连接阶段的部分内容(如一部分字节码文件格式验证动作)是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始。

2. 连接阶段

2.1 验证阶段

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。
整体分为4个阶段的校验工作：文件格式、元数据、字节码、符号引用

2.2 准备阶段

准备阶段是正式为类变量(static 成员变量)分配内存并设置类变量初始值（零值）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，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，假设一个类变量的定义为：

public static int value = 123;

那么，变量value在准备阶段过后的值为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。
“特殊情况”：当类字段的字段属性是常量时，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。

2.3 解析阶段

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。编译时，Java 类并不知道所引用的类的实际地址，因此只能使用符号引用来代替。类结构文件的常量池中存储了符号引用，包括类和接口的全限定名、类引用、方法引用以及成员变量引用等。如果要使用这些类和方法，就需要把它们转化为 JVM 可以直接获取的内存地址或指针，即直接引用。

3. 初始化阶段

类何时初始化？

虚拟机规范中并没有强制约束何时进行加载，但是规范严格规定了有且只有下列五种情况必须对类进行初始化（加载、验证、准备都会随着发生）：

遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 这四条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则必须先触发其初始化。最常见的生成这 4 条指令的场景是：
a. 使用 new 关键字实例化对象的时候
b. 读取或设置一个类的静态字段的时候（被 final 修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外)
c. 调用一个类的静态方法的时候

使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化。

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。

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；

当使用 JDK.7 的动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果为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过初始化，则需要先触发其初始化；

init 和 clinit 方法区别？

init是对象实例构造器方法，即在程序执行 new 一个对象调用该对象类的构造方法时才会执行init方法，对非静态变量解析初始化。
clinit是类构造器方法，在jvm类加载的加载-连接-初始化的初始化阶段调用。class类构造器对静态变量，静态代码块进行初始化。

初始化阶段才真正开始执行类中的定义的 Java 程序代码。初始化阶段即虚拟机执行类构造器方法的过程。在准备阶段，类变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其它资源。从另一个角度表达，初始化阶段即为执行类构造器方法的过程。

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所决定的。

特别注意的是，静态语句块只能访问到定义在它之前的类变量，定义在它之后的类变量只能赋值，不能访问。

  static {
        i = 0;
        //静态语句块只能访问到定义在它之前的类变量，定义在它之后的类变量只能赋值，不能访问。
        //编译报错： Illegal forward reference
        System.out.println(i);
    }

    static int i =1;

被动引用：不触发初始化

注意：所有引用类的方式都不会触发初始化称为被动引用，下面是3个被动引用例子（对比上文"类何时初始化"进行理解）：

通过子类引用父类静态字段，不会导致子类初始化；
通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化
常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上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的初始化

public class SuperClass {
    public static final String HELLO = "hello";

    static {
        System.out.println("super static class");
    }

    public static int value = 123;

    public SuperClass(){
        System.out.println("super class 初始化");
    }
}


class SubClass extends SuperClass{
    static {
        System.out.println("sub static class");
    }

    public SubClass(){
        System.out.println("sub class 初始化");
    }
}

 class Main {
     /**
      * 输出结果：
      * super static class
      * 123
      * hello
      */
    public static void main(String[] args) {
        // 被动引用1 ：子类加载父类静态字段，初始化父类，但不会导致子类初始化；
        System.out.println(SubClass.value);

        // 被动引用2 ： 通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化
        // 触发的是一个虚拟机自动生成的，直接继承于java.lang.Object的子类，创建动作由字节码指令newarray触发。并没有触发真正的SuperClass的初始化
        SuperClass[] sca = new SuperClass[10];

        // 被动引用3 ： 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上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的初始化
        System.out.println(SuperClass.HELLO);
    }
}

类加载顺序解析

分析如下代码，控制台输出顺序是什么？类变量count1，count2最终输出为多少？

public class Singleton {

    private static Singleton singleton = new Singleton();

    public static int count1;
    public static int count2 = 5;

    private Singleton() {
        count1++;
        count2++;
        System.out.println("构造函数 count1 = " + count1 + " | count2 =" + count2);
    }

    // 对象一建立就运行构造代码块了，而且优先于构造函数执行。有对象建立，才会运行构造代码块
    {
        System.out.println("构造代码块 count1 = " + count1 + " | count2 =" + count2);
    }

    static {
        System.out.println("静态代码块 count1 = " + count1 + " | count2 =" + count2);
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return singleton;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        System.out.println(Singleton.count1);
        System.out.println(Singleton.count2);
    }
}

分析一下流程：

主方法中调用了类的静态方法 getInstance()，会触发类的初始化。前文介绍过类初始化即调用clinit方法，该方法是编译器自动按序收集合并类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块。代码中有三个类变量和一个静态语句块，按顺序合并生成clinit方法，最先执行的为类变量singleton的赋值动作。调用构造函数，同时构造代码块在构造函数之前。此时count1 , count2 还未赋值，输出结果为0，++后变成1。再继续执行clinit方法给count1，count2赋值，便覆盖了之前的++操作。最终结果为1和5。

最终结果如下。可以试着改变代码顺序，自己分析不同的输出结果。

构造代码块 count1 = 0 | count2 =0
构造函数 count1 = 1 | count2 =1
静态代码块 count1 = 1 | count2 =5
1
5

Java类加载机制

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类编译

类加载流程

1. 加载阶段：

2. 连接阶段

2.1 验证阶段

2.2 准备阶段

2.3 解析阶段

3. 初始化阶段

类何时初始化？

init 和 clinit 方法区别？

被动引用：不触发初始化

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