JVM类加载子系统的类加载过程剖析与总结

本博文中所讨论的JVM只是自己看书和教程的个人理解，不太严谨，严谨需要另找详细的资料，对细节把控很到位。

本博文环境：

System OS: Windows10 1909
JDK-Version: 1.8.0_202
JVM: Java HotSpot™ 64-Bit Server VM (build 25.202-b08, mixed mode)
IDE: IDEA2021.3

一，前言

按照博客https://blog.csdn.net/qq_41860497/article/details/122041091中 JVM的整体架构的图示中，首先先确定本博文需要讨论的位置，如下图的红框部分。

为了细化和连接上面的图示，给出上述总体架构图的详细组成部分：

二，类加载的过程

2.1 类加载子系统的作用

了解类加载过程之前，我们需要了解一件事情。类加载子系统，究竟在整个JVM架构中充当了什么角色？没有类加载子系统行不行？
为了便于说明，我先给出加载子系统中的流程：

类加载子系统负责从文件系统或者从网络中加载Class文件，class文件在特定文件中有特定的标识。

（用16进制器查看一个class文件，前面的四个字节就是用来标识当前二进制文件是class文件，由class文件作者进行定义）。

对于ClassLoader顾名思义，只是负责class文件的加载，至于是否能够执行，则由Execution执行。只要是加载不出问题，子系统就不会进行报错。
对于已经加载的类信息放在运行时数据区中的方法去内存空间中。（JDK8以后被称为元空间）。 出了类的信息之外，方法去还会存放运行时的常量池信息，可能还包含字符串的字面量和数字常量（这部分常量信息是class文件中常量池部分的内存映射）。

类classLoader充当的角色：

假设class file 是存在于本地硬盘上的，可以理解为类和对象的概念，比喻是一个工具的模板，最终这个模板的执行是要加载到jvm中，jvm根据这个文件实例化出n个一模一样的实例出来。

如果class file 加载到JVM中，就被称为DNA元数据模板，放在方法区中。

总的来说，classLoader就是一个快递员，而对于加载过程就是可以看成是快递员分拣包裹，核对地址的过程。如果地址或者是其他的检查（比如你寄的东西不合法）不通过，就报错。具体过程是：
class文件 -> jvm -> 最终称为元数据模板。

2.2 加载过程说明

有了2.1中的说明，说明了classloader在整个jvm中的地位。现在可以说明加载的过程了。
JVM类加载工作原理：就是把类的class文件加载到内存中，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成被虚拟机使用的java类型。

类加载的生命周期包括以下几个部分：
加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）、卸载（Unloading）.
.
其中验证、准备、解析三个部分统称链接。

具体的过程，我们一一来说。可以用一个程序流程图来表示上面中类加载器加载的过程。

• 加载阶段（Loading）
  通过一个类的全限定名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数据结构。在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法去这个类的各种数据的访问入口。
• 链接(Linking)
  • 验证（verify）
    目的是在于确保class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，保证被加载类的正确性，不会危害到虚拟机自身的安全。主要包括的是四中验证：文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。
  • 准备（prepare）
    为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即是零值。

  这里不包含用final修饰的static,因为final在编译的时候就会分配了，准备阶段会显示初始化。并且不会为实例变量进行分配初始化，类变量会分配到方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到java堆中。

  • 解析（resolve）
    将常量池中的符号引用转化为直接引用的过程。实际上，解析操作往往是会伴随着JVM在执行完初始化之后在进行执行。

  符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。具体看博客，https://www.cnblogs.com/hthStudy/p/15557323.html

• 初始化(Initiation)
  初始化阶段其实就是执行类构造器()的过程。此方法不需要定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来。构造方法中指令按该语句在源文件中出现的顺序执行。()不同于类的构造器。（关联：构造器时虚拟机视角下的()）。如果该类是有父类的，jvm会保证子类的()执行前，首先执行父类的。虚拟机必须保证是一个类的()方法在多线程中被同步加锁。

三，其他

对于如何看class中各部分的友好可视化，可以使用工具jclasslib

对于上文中所提到的方法都可以可视化，并且可以看到验证的过程。

多线程下，初始化过程加锁的验证代码：

public class DeadThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
      Runnable r = () -> {
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始");
          DeadThread deadThread = new DeadThread();
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");

      };
      Thread t1 = new Thread(r, "线程1");
      Thread t2 = new Thread(r, "线程2");
      t1.start();
      t2.start();
    }

}
class DeadThread{
    static{
        if(true){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "初始化当前类");
            while (true) {

            }
        }
    }
}

初始化过程中，静态代码块和静态成员与父类的初始化顺序代码

public class ClassInitTest {
    // 对于静态代码块和静态成员变量都是谁现在前，谁就会被先覆盖
    private static int num = 1;
    static{
        num = 2;
        number = 30;
//        System.out.println(number); //由于之前没有定义，所以现在打印就会出现前项引用的错误
    }
    private static int number = 20;
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassInitTest.num);
        System.out.println(number);
    }
}

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参考博文：
https://www.cnblogs.com/hthStudy/p/15557323.html
https://www.cnblogs.com/yichenscc/p/10359180.html