JVM 类加载

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本篇文章将介绍：类加载的生命周期、类加载的时机、加载阶段、验证阶段、准备阶段、解析阶段

君子以自强不息。

类加载的生命周期

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，而解析阶段则不一定。 它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持 Java 语言的运行时绑定（也称为动态绑定）。

类加载的时机

什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段：加载？

Java 虚拟机规范中没有进行强制约束，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5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）：

  1. 遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这4条字节码指令时， 如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的 Java 代码场景是：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。
  2. 使用 java.lang.refect 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。
  3. 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。
  4. 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主类。
  5. 当使用 JDK 1.7 的动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

接口的加载过程与类加载过程稍有一些不同，在第3种场景：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

加载阶段

加载阶段会完成下面3件事：

  • 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构转化为方法区的运行时数据结构。
  • 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。

验证阶段

验证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。

1、文件格式验证

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。这个阶段验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储。后面的验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。

2、元数据验证

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语言规范的要求。例如：

  • 这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）。
  • 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类。
  • 如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法。
  • … …

3、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。 在元数据验证段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，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：

  • 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，例如不会出现类似。
  • 这样的情况：在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中。
  • 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
  • … …

4、符号引用验证

校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候。 可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验。例如：

  • 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以及简单名称所描述的方法和字段。
  • 符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可被当前类访问。
  • … …

准备阶段

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。

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。

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：

1
 
private static int value = 1;

那变量 value 在准备阶段过后的初始值为0而不是1。

有“通常情况”也有“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，假设上面类变量 value 的定义变为：

1
 
private static final int value = 1;

这个时候在准备阶段的初始化值为1。

解析阶段

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。