（深入理解 Java虚拟机）一篇文章带你深入了解虚拟机类加载过程

待我称王封你为后i 2022-12-21 02:28 138阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  一、加载
     *  二、验证
     *  三、准备
     *  四、解析
     *  五、初始化

## 一、加载 ##

加载”（Loading）阶段是整个“类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段，希望读者没有混淆这两个看起来很相似的名词。

在加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情：

> 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。

加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义，《Java虚拟机规范》未规定此区域的具体数据结构。类型数据妥善安置在方法区之后，会在Java堆内存中实例化一个`java.lang.Class`类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口。

加载阶段与连接阶段的部分动作（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，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的一部分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

## 二、验证 ##

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全

Java语言本身是相对安全的编程语言（起码对于C/C++来说是相对安全的），使用纯粹的Java代码无法做到诸如访问数组边界以外的数据、将一个对象转型为它并未实现的类型、跳转到不存在的代码行之类的事情，如果尝试这样去做了，编译器会毫不留情地抛出异常、拒绝编译。但前面也曾说过，Class文件并不一定只能由Java源码编译而来，它可以使用包括靠键盘0和1直接在二进制编辑器中敲出Class文件在内的任何途径产生。上述Java代码无法做到的事情在字节码层面上都是可以实现的，至少语义上是可以表达出来的。Java虚拟机如果不检查输入的字节流，对其完全信任的话，很可能会因为载入了有错误或有恶意企图的字节码流而导致整个系统受攻击甚至崩溃，所以验证字节码是Java虚拟机保护自身的一项必要措施。

验证阶段是非常重要的，这个阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击，从代码量和耗费的执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载过程中占了相当大的比重。

从整体上看，验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证

## 三、准备 ##

准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段，从概念上讲，这些变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配，但必须注意到方法区本身是一个逻辑上的区域，在JDK 7及之前，HotSpot使用永久代来实现方法区时，实现是完全符合这种逻辑概念的；而在JDK8及之后，类变量则会随着Class对象一起存放在Java堆中，这时候“类变量在方法区”就完全是一种对逻辑概念的表述了

关于准备阶段，还有两个容易产生混淆的概念笔者需要着重强调，首先是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Java堆中。

其次是这里所说的初始值“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;

那变量`value`在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时尚未开始执行任何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`<clinit>()`方法之中，所以把`value`赋值为123的动作要到类的初始化阶段才会被执行

## 四、解析 ##

解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，符号引用在讲解Class文件格式的时候已经出现过多次，在Class文件中它以`CONSTANT_Class_info`、`CONSTANT_Fieldref_info`、`CONSTANT_Methodref_info`等类型的常量出现，  
那解析阶段中所说的直接引用与符号引用又有什么关联呢？

*  符号引用（Symbolic References）：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。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在《Java虚拟机规范》的Class文件格式中。
 *  直接引用（Direct References）：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局直接相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在虚拟机的内存中存在。

## 五、初始化 ##

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，之前介绍的几个类加载的动作里，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序

进行准备阶段时，变量已经赋过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。

我们也可以从另外一种更直接的形式来表达：初始化阶段就是执行类构造器`<clinit>()`方法的过程。`<clinit>`()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物，但我们非常有必要了解这个方法具体是如何产生的，以及`<clinit>()`方法执行过程中各种可能会影响程序运行行为的细节，这部分比起其他类加载过程更贴近于普通的程序开发人员的实际工作。

（1）`<clinit>()`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决定的，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

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmh1YWliZWlhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
（2）`<clinit>()`方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器`<init>()`方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的`<clinit>()`方法执行前，父类的`<clinit>()`方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的`<clinit>()`方法的类型肯定是`java.lang.Object`

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmh1YWliZWlhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
（3）由于父类的`<clinit>()`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，如上述代码中，字段B的值将会是 2 而不 1

（4）`<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。

（5）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会生成`<clinit>()`方法。但接口与类不同的是，执行接口的`<clinit>()`方法不需要先执行父接口的`<clinit>()`方法，因为只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。此外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的`<clinit>()`方法

（6）Java虚拟机必须保证一个类的`<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，那么只会有其中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，直到活动线程执行完毕`<clinit>()`方法。如果在一个类的`<clinit>()`方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

class SuperClass { 
        //静态代码块优于构造块执行
        static { 
            //如果不加上这个 if 语句，编译器将提示"Initializer does not complete normally"，并拒绝编译
            if (true) { 
                System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
                while (true) { 
    
                }
            }
        }
    }
    
    public class TestClass { 
        public static void main(String[] args) { 
            Runnable script = new Runnable() { 
                @Override
                public void run() { 
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "start");
                    SuperClass superClass = new SuperClass();
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "run over");
                }
            };
            Thread thread1 = new Thread(script);
            Thread thread2 = new Thread(script);
            thread1.start();
            thread2.start();
        }
    }

运行结果如下，一条线程在死循环以模拟长时间操作，另外一条线程在阻塞等待：

![在这里插入图片描述][20201113200057879.png_pic_center]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmh1YWliZWlhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221120/1df3d49cf50a483c8ee57161bae8837e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L25hbmh1YWliZWlhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221120/9f2546a393f1408cab04def7b4c40fa2.png
[20201113200057879.png_pic_center]: /images/20221120/576355af67804d3cb0a637674b58ac10.png