深入理解 Java 虚拟机：类的加载过程

拼搏现实的明天。 2023-02-17 02:46 2阅读 0赞

### 深入理解 Java 虚拟机：类的加载过程 ###

*  类的生命周期
 *  加载
 *  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
 *  解析
 *  初始化
 *  总结

# 类的生命周期 #

类从被加载到虚拟机内存中，到卸载出内存为止，整个生命周期包含：`加载`、`验证`、`准备`、`解析`、`初始化`、`使用`、`卸载`。

其中 **类的加载过程** 包含：`加载`、`验证`、`准备`、`解析`、`初始化`

`验证`、`准备`、`解析` 统称为 **连接**

# 加载 #

**类加载的三步骤：**

1.  通过一个类的 **全限定名** 获取定义此类的 **二进制字节流**
2.  将字节流所代表的 **静态存储结构** 转化为 **方法区的运行时数据**（永久代的常量池）
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

**非数组类的加载：**  
一个 `非数组类` 的 **加载过程（准确的说是加载阶段中获取二进制流的动作）** 是开发人员可控性最强的，**加载阶段** 可使用系统提供的 **引导类加载器来完成**，也可以由 **用户自定义加载器** 去完成，开发人员可以通过 **自定义类加载器** 去控制 `字节流` 的获取方式（即重写一个类加载器的 `loadClass()` 方法）。

**数组类的加载：**  
`数组类` 的本身并不通过 **类加载器** 创建，它由 Java 虚拟机直接创建。但数组类的 **元素类型**，最终要靠 **类加载器** 去创建。

# 验证 #

**目的：** 这一阶段是为了确保 **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`

## 文件格式验证 ##

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 Java 的信息要求`，成功后字节流会被读入 `方法区` 中进行存储，所以后续的 3 个验证阶段都是基于方法区中的存储结构，不再操作字节流。

**验证的内容：**

1.  是否以魔数 `0xCAFEBABE` 开头  
    `0xCAFEBABE（咖啡宝贝？）` 是 Java 编译后 Class 文件的开头标识，有这个说明是 Java 的 Class 文件
2.  主、次版本号是否在当前虚拟机的处理范围内  
    不少人应该都遇到过，由于 JDK 版本太低，导致的 `major.minor version 52.0`，百度下发现要用 JDK8
3.  常量池中的常量是否有不被支持的类型（检查常量 tag 标志）
4.  **CONSTANT\_Utf8\_info** 型的常量中是否有不符合 **UTF-8** 编码的数据
5.  **Class 文件** 中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息
6.  **…** **…**

## 元数据验证 ##

对类的元数据进行验证，保证 `不存在不符合 Java 语言规范的元数据信息`。

**验证内容：**

1.  这个类是否有父类（除了 Object 类都应该有父类）。
2.  这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被 final 修饰的类）。
3.  如果这个类不是抽象类，是否实现了 `父类` 或`接口` 中要求实现的所有方法。
4.  类中的字段、方法是否与父类产生矛盾（例如覆盖了父类的 final 字段，或者出现不符合规则的方法重载，例如方法参数都一致，但返回值类型却不同等）。

## 字节码验证 ##

最复杂的阶段，通过数据流和控制流的分析，确认软件语义是 `合法`、`符合逻辑` 的，保证被校验类的方法 `在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件`。

**例如：**

1.  保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作。
2.  保证指令不会跳到方法体以外的字节码指令上。
3.  保证方法体中的类型转换是有效的。
4.  **…** **…**

## 符号引用验证 ##

验证虚拟机将 `符号引用` 转化为 `直接引用` 时，进行的 `匹配性校验`。

**验证内容：**

1.  符号引用中通过 `全限定名` 是否能找到对应的类。
2.  在指定类中是否存在 `符合方法的字段描述` 以及 `简单名称所描述的方法和字段`。
3.  符号引用的中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可以被当前类访问。
4.  **…** **…**

# 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

**初始值为零值：**  
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 Java 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 value=123;

那变量 `value` 在 `准备阶段过后的初始值为 0 而不是 123`  
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` 的动作将在 `初始化阶段` 才会执行

**特殊情况：**  
如果类字段的字段属性表中存在 `ConstantValue` 属性，那在准备阶段变量 `value` 就会被初始化为 `ConstantValue` 属性所指定的值，例如：

public static final int value=123;

编译时 `Javac` 将会为 `value` 生成 `ConstantValue` 属性，在准备阶段虚拟机就会`根据 ConstantValue 的设置将 value` 赋值为 123\`。

# 解析 #

解析阶段时虚拟机将 `常量池` 内的 `符号引用` 替换为 `直接引用` 的过程。

**符号引用与直接引用：**

*  **符号引用：** 以一组符号来描述所引用 目标，符号可以是 `任何形式的字面量`，只要使用是能 `无歧义的定位到目标即可`。符号引用与虚拟机内存布局`无关`，引用的目标 `并不一定加载导内存中`，`符号引用的字面量形式明确定义在 Class 中`。
 *  **直接引用：** 直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或者一个能 `能间接定位到目标的句柄`。如果有 `直接引用`，那引用的目标 `必定已经在内存中存在`。

**解析动作的目标：**  
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

注：解析的过程比较复杂，具体可以参考《深入理解java虚拟机》，个人认为大致了解即可

# 初始化 #

在 `准备阶段` 变量已经经过了初始值（零值）的赋值，而在 `初始化阶段` 将根据 程序员的主观意愿去初始化变量和其他资源。初始化阶段是执行 **类构造器 <clinit>()** 方法 的过程。

**类构造器 <clinit>()：**

*  **<clinit>()** 方法是由编译器自动收集类中 **所有类变量的赋值动作** 和 **静态语句块 static\{\}** 的语句合并产生的。静态语句块中 **只能访问到静态语句块之前的变量**，**之后的变量只能赋值不能访问。**

public class Test { 
    	static { 
    		// 给变量赋值可以正常通过
    		i = 0;
    		//编译报错，提示 “非法向前引用”
    		System.out.println(i);
    	}
    	static int i = 0;
    }

*  **<clinit>()** 方法与类的构造函数不同，它不需要显示的调用父类构造函数，虚拟机会保证子类的 **<clinit>()** 调用之前，父类的 **<clinit>()** 方法已经执行完毕。因此虚拟机第一个被加载的 **<clinit>()** 肯定是 **java.lang.Object**。
 *  如果一个类 **没有静态语句块**，则 **不会生成 <clinit>()**。
 *  接口不能使用静态语句块，但是依然有 **变量初始化** 的赋值操作，因此也会生成 **<clinit>()**。但接口与类不同，接口`不需要`先执行父类接口的 **<clinit>()** 方法。只有当 `接口中的变量使用时`，父接口才会吃实话，另外，接口实现类在初始化时也一样`不会执行`接口的 **<clinit>()** 方法。
 *  虚拟机会保证一个类的 **<clinit>()** 方法在多线程环境下是`正确的加锁、同步`，多个线程去初始化一个类是，`只会有一个类执行` **<clinit>()**，其他的`阻塞等待`。

# 总结 #

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