JVM之class加载过程

亦凉 2023-09-23 18:57 83阅读 0赞

### 一、定义： ###

java虚拟机把描述类的数据从class文件加载到内存，并对数据进行 校验/准备/解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。

称作虚拟机的类加载机制。

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loading -> linking (verification -> preparation -> resolution)-> resolution)->initializing

loading: 把class文件load到内存中，采用双亲委派，主要是为了安全性

verification: 校验class文件是否符合标准

preparation: 静态变量分配内存并设初始值的阶段(不包括实例变量)

resolution:把符号引用转换为直接引用

initializing:静态变量赋初始值

### 二、加载过程： ###

类加载的过程主要分为三个部分：加载、连接、初始化这三个阶段。

**1、加载阶段**

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个这个类的java.lang.Class对象，用来封装类在方法区类的对象。主要步骤可以分为下面的三件事情：

1.  通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。
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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。
    
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加载阶段完成后，虚拟机外部的 二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

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类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象。Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。加载类的方式有以下几种：

1.  从本地系统直接加载
2.  通过网络下载.class文件
3.  从zip，jar等归档文件中加载.class文件
4.  从专有数据库中提取.class文件
5.  将Java源文件动态编译为.class文件（服务器）

**2.加载器**

JVM的类加载是通过ClassLoader及其子类来完成的，类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述：

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**1.BootstrapClassLoader（启动类加载器）**

*  负责加载JAVAHOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，加载System.getProperty(“sun.boot.class.path”)所指定的路径或jar。</p></li><li><p>ExtensionClassLoader（标准扩展类加载器）负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括JAVA\_HOME中jre/lib/\*.jar或-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包。载System.getProperty(“java.ext.dirs”)所指定的路径或jar。
 *  AppClassLoader（系统类加载器）负责记载classpath中指定的jar包及目录中class CustomClassLoader（自定义加载器）属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现。
 *  **2.类加载器的顺序** 加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载就视为已加载此类，保证此类只所有ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。
 *  在加载类时，每个类加载器会将加载任务上交给其父，如果其父找不到，再由自己去加载。
 *  Bootstrap Loader（启动类加载器）是最顶级的类加载器了，其父加载器为null。

2、连接阶段：

在连接里面又可以被分成3个小阶段，分别是：验证，准备，解析

**1.验证（目的）：**

*  主要是为了保证加载进来的字节流符合虚拟机规范，不会造成安全错误。
 *  包括对于文件格式的验证，比如常量中是否有不被支持的常量？文件中是否有不规范的或者附加的其他信息？
 *  对于元数据的验证，比如该类是否继承了被final修饰的类？类中的字段，方法是否与父类冲突？是否出现了不合理的重载？
 *  对于字节码的验证，保证程序语义的合理性，比如要保证类型转换的合理性。
 *  对于符号引用的验证，比如校验符号引用中通过全限定名是否能够找到对应的类？校验符号引用中的访问性（private，public等）是否可被当前类访问？

**2.验证内容:**

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。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

*  文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
 *  元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析）
 *  以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。
 *  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，如循环、分支等
 *  符号引用验证：确保解析动作能正确执行，比如不能访问引用类的私有方法、全限定名称是否能找到相关的类。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone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。

**3.准备：**

在准备阶段，为静态变量的初值为jvm默认的初值，而不是我们在程序中设定的初值。jvm默认为静态变量的初值是这样的

*  静态变量是基本类型（int、long、short、char、byte、boolean、float、double）的默认值为0
 *  静态变量时引用类型的默认值为null
 *  被final和static共同修改的静态变量，我们通常称为常量，然后常量的默认值为我们程序中设定的值，
 *  比如我们在程序中定义final static int a = 100，则准备阶段中a的初值就是100。

**4.解析：**

这一阶段的任务就是把常量池中的符号引用转换为直接引用 什么是符号引用，什么是直接引用。

*  符号引用：即一个字符串，但是这个字符串给出了一些能够唯一性识别一个方法，一个变量，一个类的相关信息。
 *  直接引用：可以理解为一个内存地址，或者一个偏移量。比如类方法，类变量的直接引用是指向方法区的指针。
 *  在解析阶段，虚拟机会把所有的类名，方法名，字段名这些符号引用替换为具体的内存地址或偏移量，也就是直接引用。
 *  举个例子来说，现在调用方法hello()，这个方法的地址是1234567，那么hello就是符号引用，1234567就是直接引用。

3、初始阶段：

**1.工作内容：**

JVM负责主要对类变量(类变量就是static修改的变量)进行初始化这里主要对类变量(类变量就是static修改的变量)进行初始化，初始化主要有两个方式：

*  声明静态类变量时指定初始值
 *  使用静态代码块为类变量指定初始值

**2.初始化时机：**

类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种：

1.  创建类的实例，也就是new的方式
2.  访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值、
3.  调用类的静态方法
4.  反射（如Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)）
5.  初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
6.  Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（Java Test），直接使用java.exe命令来运行某个主类

**3.初始化顺序：**

*  如果这个类还没有被加载和链接，那先进行加载和链接
 *  假如这个类存在直接父类，并且这个类还没有被初始化（注意：在一个类加载器中，类只能初始化一次），那就初始化直接的父类（不适用于接口）
 *  加入类中存在初始化语句（如static变量和static块），那就依次执行这些初始化语句。

如果有父类，则顺序是：父类static方法/static变量赋值 –> 子类static方法/static变量赋值

### 三、结语： ###

上面介绍的就是类（class）的加载，包含它的加载、链接、初始化。

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