重学Java虚拟机（四）—— 类加载机制

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发布时间：2019-05-26

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前言

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、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。

类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括了：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。其中验证、准备和解析三个部分统称为连接。

虚拟机规范中并没有进行强制约束什么情况下需要开始类加载过程。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有四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）：

使用new关键字实例化对象的时候、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）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候；

使用java.lang.reflect包的方法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；

当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化；

当虚拟机启动时，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类。

类加载的过程

加载

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；

将这个字节流所代表的静态存储结果转化为方法区的运行时数据结构；

在Java堆中生成一个这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口；

验证

文件格式验证

第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。

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；

常量池的常量中是否有不被支持的常量类型（检查常量tag标志）；

指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量；

……

元数据验证

第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范要求：

- 这个类是否有父类；

这个类的父类是否继承了不允许继承的类；

如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口中要求实现的所有方法；

……

字节码验证

第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要工作是进行数据流和控制流分析：

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；

保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上；

保证方法体中类型转换是有效的；

……

符号引用验证

最后一个阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转换为直接引用的时候。

符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类；

在指定类中是否存在符合方法的字段描述符及简单名称所描述的方法和字段；

符号引用中的类、字段和方法的访问性是否可被当前类访问；

……

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。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。

这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值。

解析

解析阶段是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（Symbolic Reference）：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号引用可以是任何形式的字面量，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已经在内存中。

直接引用（Direct Reference）：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同的虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般都不相同，如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号引用进行。

类或接口的解析：判断所要转化成的直接引用是对数组类型，还是普通的对象类型的引用，从而进行不同的解析。

字段解析：对字段进行解析时，会先在本类中查找是否包含有简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，如果有，则查找结束；如果没有，则会按照继承关系从上往下递归搜索该类所实现的各个接口和它们的父接口，还没有，则按照继承关系从上往下递归搜索其父类，直至查找结束。

类方法解析：对类方法的解析与对字段解析的搜索步骤差不多，只是多了判断该方法所处的是类还是接口的步骤，而且对类方法的匹配搜索，是先搜索父类，再搜索接口。

接口方法解析：与类方法解析步骤类似，只是接口不会有父类，因此，只递归向上搜索父接口就行了。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码。初始化阶段是执行类构造器<clinit>() 方法的过程：

<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，编译器收集的顺序由语句在源文件中出现的顺序所决定。

<clinit>()方法与类的构造函数不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕，因此在虚拟机中第一个执行的<clinit>()方法的类一定是java.lang.Object。

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。

<clinit>()方法对于类或者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。

接口中可能会有变量赋值操作，因此接口也会生成<clinit>()方法。但是接口与类不同，执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()方法。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。另外，接口的实现类在初始化时也不会执行接口的<clinit>()方法。

虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁和同步。如果有多个线程去同时初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其它线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，那么就可能造成多个进程阻塞。