Java虚拟机学习（3）： 类加载机制
類加載機制
JVM把class文件加載的內存，并對數據進行校驗、轉換解析和初始化，最終形成JVM可以直接使用的Java類型的過程就是加載機制。
類從被加載到虛擬機內存中開始，到卸載出內存為止，它的生命周期包括了：加載(Loading)、驗證(Verification)、準備(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)、卸載(Unloading)七個階段，其中驗證、準備、解析三個部分統稱鏈接。
加載(裝載)、驗證、準備、初始化和卸載這五個階段順序是固定的，類的加載過程必須按照這種順序開始，而解析階段不一定；它在某些情況下可以在初始化之后再開始，這是為了運行時動態綁定特性。值得注意的是：這些階段通常都是互相交叉的混合式進行的，通常會在一個階段執行的過程中調用或激活另外一個階段。
加載：
加載階段是“類加載機制”中的一個階段，這個階段通常也被稱作“裝載”，主要完成：
1.通過“類全名”來獲取定義此類的二進制字節流
2.將字節流所代表的靜態存儲結構轉換為方法區的運行時數據結構
3.在java堆中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象，作為方法區這些數據的訪問入口
虛擬機規范對于“通過“類全名”來獲取定義此類的二進制字節流”并沒有指明二進制流必須要從一個本地class文件中獲取，準確地說是根本沒有指明要從哪里獲取及怎樣獲取。例如：
從Zip包中讀取，這很常見，最終成為日后JAR、EAR、WAR格式的基礎。
從網絡獲取，常見應用Applet。
運行時計算生成，這種場景使用的最多的就是動態代理技術，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用ProxyGenerator.generateProxyClass來為特定接口生成$Prxoy的代理類的二進制字節流。
由其他格式文件生成，典型場景：JSP應用
從數據庫中讀取，這種場景相對少見，有些中間件服務器(如SAP Netweaver)可以選擇把程序安裝到數據庫中來完成程序代碼在集群間的分發。
相對于類加載過程的其他階段，加載階段(準備地說，是加載階段中獲取類的二進制字節流的動作)是開發期可控性最強的階段，因為加載階段可以使用系統提供的類加載器(ClassLoader)來完成，也可以由用戶自定義的類加載器完成，開發人員可以通過定義自己的類加載器去控制字節流的獲取方式。
加載階段完成后，虛擬機外部的二進制字節流就按照虛擬機所需的格式存儲在方法區之中，方法區中的數據存儲格式有虛擬機實現自行定義，虛擬機并未規定此區域的具體數據結構。然后在java堆中實例化一個java.lang.Class類的對象，這個對象作為程序訪問方法區中的這些類型數據的外部接口。加載階段與鏈接階段的部分內容(如一部分字節碼文件格式驗證動作)是交叉進行的，加載階段尚未完成，鏈接階段可能已經開始，但這些夾在加載階段之中進行的動作，仍然屬于鏈接階段的內容，這兩個階段的開始時間仍然保持著固定的先后順序。
驗證：
驗證是鏈接階段的第一步，這一步主要的目的是確保class文件的字節流中包含的信息符合當前虛擬機的要求，并且不會危害虛擬機自身安全。
驗證階段主要包括四個檢驗過程：文件格式驗證、元數據驗證、字節碼驗證和符號引用驗證。
1.文件格式驗證
驗證class文件格式規范，例如：?class文件是否已魔術0xCAFEBABE開頭 ，?主、次版本號是否在當前虛擬機處理范圍之內等
2.元數據驗證
這個階段是對字節碼描述的信息進行語義分析，以保證起描述的信息符合java語言規范要求。驗證點可能包括：這個類是否有父類(除了java.lang.Object之外，所有的類都應當有父類)、這個類是否繼承了不允許被繼承的類(被final修飾的)、如果這個類的父類是抽象類，是否實現了起父類或接口中要求實現的所有方法。
3.字節碼驗證
進行數據流和控制流分析，這個階段對類的方法體進行校驗分析，這個階段的任務是保證被校驗類的方法在運行時不會做出危害虛擬機安全的行為。如：保證訪法體中的類型轉換有效，例如可以把一個子類對象賦值給父類數據類型，這是安全的，但不能把一個父類對象賦值給子類數據類型、保證跳轉命令不會跳轉到方法體以外的字節碼命令上。
4.符號引用驗證
符號引用中通過字符串描述的全限定名是否能找到對應的類、符號引用類中的類，字段和方法的訪問性(private、protected、public、default)是否可被當前類訪問。
準備：
準備階段是正式為類變量分配內存并設置類變量初始值的階段，這些內存都將在方法區中進行分配。這個階段中有兩個容易產生混淆的知識點，首先是這時候進行內存分配的僅包括類變量(static 修飾的變量),而不包括實例變量，實例變量將會在對象實例化時隨著對象一起分配在java堆中。其次是這里所說的初始值“通常情況”下是數據類型的零值，假設一個類變量定義為:
public static int value ?= 12;
那么變量value在準備階段過后的初始值為0而不是12，因為這時候尚未開始執行任何java方法，而把value賦值為123的putstatic指令是程序被編譯后，存放于類構造器<clinit>()方法之中，所以把value賦值為12的動作將在初始化階段才會被執行。
上面所說的“通常情況”下初始值是零值，那相對于一些特殊的情況，如果類字段的字段屬性表中存在ConstantValue屬性，那在準備階段變量value就會被初始化為ConstantValue屬性所指定的值，建設上面類變量value定義為：
public static final int value = 123;
編譯時javac將會為value生成ConstantValue屬性，在準備階段虛擬機就會根據ConstantValue的設置將value設置為123。
解析：
解析階段是虛擬機常量池內的符號引用替換為直接引用的過程。
符號引用：符號引用是一組符號來描述所引用的目標對象，符號可以是任何形式的字面量，只要使用時能無歧義地定位到目標即可。符號引用與虛擬機實現的內存布局無關，引用的目標對象并不一定已經加載到內存中。
直接引用：直接引用可以是直接指向目標對象的指針、相對偏移量或是一個能間接定位到目標的句柄。直接引用是與虛擬機內存布局實現相關的，同一個符號引用在不同虛擬機實例上翻譯出來的直接引用一般不會相同，如果有了直接引用，那引用的目標必定已經在內存中存在。
虛擬機規范并沒有規定解析階段發生的具體時間，只要求了在執行anewarry、checkcast、getfield、instanceof、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、multianewarray、new、putfield和putstatic這13個用于操作符號引用的字節碼指令之前，先對它們使用的符號引用進行解析，所以虛擬機實現會根據需要來判斷，到底是在類被加載器加載時就對常量池中的符號引用進行解析，還是等到一個符號引用將要被使用前才去解析它。
解析的動作主要針對類或接口、字段、類方法、接口方法四類符號引用進行。分別對應編譯后常量池內的CONSTANT_Class_Info、CONSTANT_Fieldref_Info、CONSTANT_Methodef_Info、CONSTANT_InterfaceMethoder_Info四種常量類型。
1.類、接口的解析
2.字段解析
3.類方法解析
4.接口方法解析
初始化：
類的初始化階段是類加載過程的最后一步，在準備階段，類變量已賦過一次系統要求的初始值，而在初始化階段，則是根據程序員通過程序制定的主觀計劃去初始化類變量和其他資源，或者可以從另外一個角度來表達：初始化階段是執行類構造器<clinit>()方法的過程。在以下四種情況下初始化過程會被觸發執行：
1.遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic這4條字節碼指令時，如果類沒有進行過初始化，則需先觸發其初始化。生成這4條指令的最常見的java代碼場景是：使用new關鍵字實例化對象、讀取或設置一個類的靜態字段(被final修飾、已在編譯器把結果放入常量池的靜態字段除外)的時候，以及調用類的靜態方法的時候。
2.使用java.lang.reflect包的方法對類進行反射調用的時候
3.當初始化一個類的時候，如果發現其父類還沒有進行過初始化、則需要先出發其父類的初始化
4.jvm啟動時，用戶指定一個執行的主類(包含main方法的那個類)，虛擬機會先初始化這個類
在上面準備階段 public static int value ?= 12; ?在準備階段完成后 value的值為0，而在初始化階調用了類構造器<clinit>()方法，這個階段完成后value的值為12。
*類構造器<clinit>()方法是由編譯器自動收集類中的所有類變量的賦值動作和靜態語句塊(static塊)中的語句合并產生的，編譯器收集的順序是由語句在源文件中出現的順序所決定的，靜態語句塊中只能訪問到定義在靜態語句塊之前的變量，定義在它之后的變量，在前面的靜態語句快可以賦值，但是不能訪問。
*類構造器<clinit>()方法與類的構造函數(實例構造函數<init>()方法)不同，它不需要顯式調用父類構造，虛擬機會保證在子類<clinit>()方法執行之前，父類的<clinit>()方法已經執行完畢。因此在虛擬機中的第一個執行的<clinit>()方法的類肯定是java.lang.Object。
*由于父類的<clinit>()方法先執行，也就意味著父類中定義的靜態語句快要優先于子類的變量賦值操作。
*<clinit>()方法對于類或接口來說并不是必須的，如果一個類中沒有靜態語句，也沒有變量賦值的操作，那么編譯器可以不為這個類生成<clinit>()方法。
*接口中不能使用靜態語句塊，但接口與類不太能夠的是，執行接口的<clinit>()方法不需要先執行父接口的<clinit>()方法。只有當父接口中定義的變量被使用時，父接口才會被初始化。另外，接口的實現類在初始化時也一樣不會執行接口的<clinit>()方法。
*虛擬機會保證一個類的<clinit>()方法在多線程環境中被正確加鎖和同步，如果多個線程同時去初始化一個類，那么只會有一個線程執行這個類的<clinit>()方法，其他線程都需要阻塞等待，直到活動線程執行<clinit>()方法完畢。如果一個類的<clinit>()方法中有耗時很長的操作，那就可能造成多個進程阻塞。
本系列：
- Java虛擬機學習（1）：體系結構 內存模型
- Java虛擬機學習（2）：垃圾收集算法
- Java虛擬機學習（3）： 類加載機制
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Java虚拟机学习（3）： 类加载机制的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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