Class字节码文件装载：类验证、解析和初始化

阳光穿透心脏的1/2处 2022-12-28 04:06 145阅读 0赞

**目录**

验证类

解析类

示例

初始化

不可逆的初始化过程

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紧跟上一篇，Java程序在开始运行时并非完全加载的，各个部分在需要时才会加载，Class使用时被装载进JVM，类加载器ClassLoader会检查这个Class对象是否已经加载，如果尚未加载，ClassLoader就会根据类名查找.class文件，加载过程获取得到二进制数据流并解析成数据结构后，下一步就进入连接阶段，连接时进行的一步很重要的操作是验证，包括格式、语义、字节码和引用等验证，保证加载进来的Class字节码是符合规范的。

## 验证类 ##

JVM在加载完Class字节码文件，并在方法区创建好Class实例对象之后，就开始对其进行验证，只有当验证通过，符合字节码规范的文件才能被JVM执行，需要验证的东西还是挺多的，来看下图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

可以看到，首先是字节码文件的格式检查，例如魔数，还记得它吧，用来标识.class字节码文件的标志，是一个固定值0xCAFEBABE，大小占四个字节，位于文件的最前面，格式检查首先验证魔数，接着还有版本号，验证当前使用的JVM是否支持。第二部分是语义检查，例如检查该Class是否有父类，还记得Java中，即使一个类没有显式继承某一个父类，但所有的类都有一个父类是Object，除了Object自己没有父类外。如果加载的类不是abstract抽象类，会验证其有没有实现所继承的父类的抽象方法，还有某个类实现了某一接口，需要验证其有没有实现里面的接口方法等，这些都是验证过程中语义检查的部分。紧接着到字节码验证部分，字节码验证很复杂，我简单总结下它要做的事情，就是验证如跳转指令会不会跳转到正确的地方，还是跳到一个不存在指令处，操作数是否合理，函数调用时传递的参数是不是对应的类型等，一系列验证来判断字节码能不能正确执行，不过，字节码验证不能把所有的错误都验证出来，只能验证出一些明显的问题，所以通过了此阶段验证也无法保证字节码可以安全被执行。再往下走，验证类的第四阶段，引用验证，检查JVM需要使用到的类在系统中找不找得到，Class文件在虚拟机常量池里以字符串的形式记录着自己要使用的类和方法，如果其需要的类不存在，或者没有访问权限，就会抛出异常处理。验证类的过程大致就是这样，格式检查验证文件格式是否有错，语义检查到字节码检查，最后检查类和方法的引用是否存在，如果一个类通过了验证类，就会往下一阶段走：解析类。

## 解析类 ##

一开始在常量池中存放的是Class类文件里的符号引用，符号引用就是一些字面的引用，解析类要做的事就是将类的字段、方法和接口等转化成直接引用，例如System.out.println（）方法被调用时，只知道字面量的引用描述是不够的，还需要直到这个方法的具体位置，Java为每一个类都弄了一份方法表，当我们调用一个方法时，JVM会根据偏移量在方法表中寻找，所以符号引用解析成直接引用，就是获得这个类中字段，方法等在内存中的指针或偏移量。

### 示例 ###

举个例子，使用字符串常量在JVM内部会维护一张字符串拘留表所有的字符串常量都会保存在里面，有一个重要的特点是，表中没有重复的项，也就是说，对于所有字面相同的字符串常量，它们在拘留表中的位置是相同的。

public static void main(String[] args) {
    	String s1 = Integer.toString(1);
    	s1 = s1+Integer.toString(2)+Integer.toString(3);
    	String s2 = "123";
    	System.out.println(s1 == s2);
    	System.out.println(s1.intern() == s2);
    	System.out.println(s1.equals(s2));
    }

上面例子中定义了两个字符串s1和s2，它们都是字符串“123”，但是不是同一个字符串对象，所以第5行输出s1==s2得到的结果是false；但是下面两句输出得到的结果都是true，equals（）方法之所以返回true，是因为两个字符串字面量都是“123”，intern（）方法返回的是这个字符串在JVM内部拘留表中的引用，前面说了，拘留表中的引用是没有重复值的，所以两个字符串由于字面量相等，所以它们在拘留表中的引用是相同的，返回结果后判断两者是否相等，返回的是true。

## 初始化 ##

解析类完成后，也就是获得类的字段，方法等在方法表里的偏移量后，就可以进入类的初始化阶段，此时就开始执行Class字节码。每一个类都有初始化方法clinit，由JVM自动生成，如果我们在类里面声明一段静态static代码段或者静态属性，JVM都会把他们放到clinit方法里，待有线程调用触发类的初始化时，就会调用这个方法。JVM使用了同步操作来保证类的初始化是线程安全的，在一个线程对某个类进行初始化时，其他线程如果也同时试图初始化这个类，则必须等待，但最后也只能有一个线程成功执行clinit方法，类的初始化clinit一旦执行完毕，其他线程也就不能再执行该方法了，具体实现在于当一个线程初始化某个类前，会先判断类的状态，如果类没有被初始化果，就开始执行类的clinit方法，将类的状态设置为being-initialized，待clinit正常执行完毕后，就会把类的状态置为fully-initialized，这样，唤醒其他同样想调用初始化类方法的线程后，线程先判断类的状态，发现已经被初始化过了，就不会再执行clinit方法了。

### 不可逆的初始化过程 ###

有一点要注意的是，类初始化执行clinit方法的过程是不可逆的，如果线程对于一个类的初始化出现异常，会导致这个类变为不可用状态，原因是clinit方法执行失败后，会把类的状态设置为initialization\_error，这样当下面的线程试图初始化类时，首先判断类的状态，发现是不可用，那么也不会去执行初始化方法，解决的办法我查看了一些文章，例如做一个缓存处理，不用每次都去执行clinit方法，详细的大家可以去查查。来看一个例子：

public class ClassTest {
    
        static {
            System.out.println("开始初始化.");
            int num = 5/0;
            System.out.println("完成初始化.");
        }
    
        public static void printInfo() {
            System.out.println("running....");
        }
        
    	public static void main(String[] args) {
    		try {
    			ClassTest.printInfo();
            } catch (Throwable e) {
                e.printStackTrace();
            }
    
    		ClassTest.printInfo();
    	}
    
    }

我们在类ClassTest中定义了静态代码块，里面让num等于5/0，这样类在初始化时就会抛出“/ by zero”异常，主函数里我们两次调用类的printInfo（）方法，目的是让类使用两次，按道理来说，虽然类初始化失败，但应该会输出两次“开始初始化”语句，来看下结果：

![20201214122357818.PNG][]

可以看到，虽然捕获到了异常“/ by zero”，但最后只输出了一次“开始初始化”，也就是说，主函数里我们显式调用了两次类的静态方法，但类只被初始化了一次，而那一次初始化失败后，第二次类并没有执行clinit方法，原因就如上面所说的，当第一次类初始化失败后，状态被置为了initialization\_error，导致下面的初始化都无法进行。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221120/36b59fcf5c614b77b79daa07ad0585cd.png
[20201214122357818.PNG]: /images/20221120/48595e9babdd4b258a9d71ccd8c98d1c.png