Java底层基础-类加载过程

川长思鸟来 2022-11-02 01:00 120阅读 0赞

## 一、类加载生命周期 ##

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为支持运行时绑定，解析过程在某些情况下可在初始化之后再开始，除解析过程外的其他加载过程必须按照如图顺序开始。

#### 加载 ####

1.  通过全限定类名来获取定义此类的二进制字节流 （并没有指明要从一个Class文件中获取，可以从其他渠道，譬如：网络、动态生成、数据库等）；
2.  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。
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。

#### 验证 ####

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保 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。

1.  文件格式验证：如是否以魔数 0xCAFEBABE 开头、主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内、常量合理性验证等。  
    此阶段保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，格式上符合描述一个 Java类型信息的要求。
2.  元数据验证：是否存在父类，父类的继承链是否正确，抽象类是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法，字段、方法是否与父类产生矛盾等。  
    第二阶段，保证不存在不符合 Java 语言规范的元数据信息。
3.  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。例如保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
4.  符号引用验证：在解析阶段中发生，保证可以将符号引用转化为直接引用。

可以考虑使用 `-Xverify:none` 参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

#### 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 key=123;
        public static final int value=123;

那变量key在准备阶段过后的初始值为0而不是123.因为这时候尚未开始执行任何java方法，而把key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。  
至于“特殊情况”是指：public static final int value=123，即当类字段的字段属性是ConstantValue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.

#### 解析 ####

虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。  
解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符 7 类符号引用进行。

#### 初始化 ####

到初始化阶段，才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码，此阶段是执行 `<clinit>()` 方法的过程。

`<clinit>()` 方法是由编译器按语句在源文件中出现的顺序，依次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产生的。（不包括构造器中的语句。构造器是初始化对象的，类加载完成后，创建对象时候将调用的 `<init>()` 方法来初始化对象）

静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问，如下程序：

public class Test { 
        static { 
            // 给变量赋值可以正常编译通过
            i = 0;
            // 这句编译器会提示"非法向前引用"
            System.out.println(i);
        }
    
        static int i = 1;
    }

`<clinit>()` 不需要显式调用父类（接口除外，接口不需要调用父接口的初始化方法，只有使用到父接口中的静态变量时才需要调用）的初始化方法 `<clinit>()`，虚拟机会保证在子类的 `<clinit>()` 方法执行之前，父类的 `<clinit>()` 方法已经执行完毕，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。

`<clinit>()` 方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成 `<clinit>()` 方法。

虚拟机会保证一个类的 `<clinit>()` 方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的 `<clinit>()` 方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行 `<clinit>()` 方法完毕。

#### 类加载的时机 ####

对于初始化阶段，虚拟机规范规定了有且只有 5 种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

1.  遇到new、getstatic 和 putstatic 或 invokestatic 这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。对应场景是：使用 new 实例化对象、读取或设置一个类的静态字段（被 final 修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）、以及调用一个类的静态方法。
2.  对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3.  当初始化类的父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。（而一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化）
4.  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。
5.  当使用 JDK 1.7 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 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。

以上这 5 种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用，例如：

1.  通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。
2.  通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。`MyClass[] cs = new MyClass[10];`
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到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。
4.  ## 类加载器 ##

把实现类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作的代码模块称为“类加载器”。

将 class 文件二进制数据放入方法区内，然后在堆内（heap）创建一个 java.lang.Class 对象，Class 对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向开发者提供了访问方法区内的数据结构的接口。

目前类加载器却在类层次划分、OSGi、热部署、代码加密等领域非常重要，我们运行任何一个 Java 程序都会涉及到类加载器。

#### 类的唯一性和类加载器 ####

对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性。

即使两个类来源于同一个 Class 文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类也不相等。  
这里所指的“相等”，包括代表类的 Class 对象的 equals() 方法、 isAssignableFrom() 方法、isInstance() 方法的返回结果，也包括使用 instanceof 关键字做对象所属关系判定等情况。

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