第7章 虚拟机类加载机制

1.概述

虚拟机的类加载机制介绍：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。

Java语言中，类型的加载、连接和初始化都是在程序运行期间完成的，虽然令类加载增加了一些性能开销，但是会 更灵活。例如编写一个面向接口的类，可以等到运行时再指定其实际的实现类。

笔者强调的注意事项：
1.实际情况中，每个Class文件都有可能代表着Java语言的一个类或接口，后文直接对"类"的描述都包括了类和接口的可能性
2.本章所提到的"Class文件"并非特质某个存在于具体磁盘的文件，这里应当是一串二进制的字节流，无论以任何形式存在。

2.类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存到卸载整个生命周期是：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。

其中验证、准备、解析3个部分统称为连接。如下图所示：

类的生命周期

上图中，加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始。解析阶段不一定：它在某些情况下在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的动态绑定。

注意：这里是按部就班的"开始"，不是按部就班的"进行"或"完成"，强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行地，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

什么情况下需要开始类加载？Java虚拟机规范中并没有进行强制约束，由虚拟机实现来把握。但对于初始化阶段，虚拟机规范严格规定了有且只有5中情况必须立即对类进行"初始化"(加载、验证、准备自然需要再此之前开始)：

• 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条指令最厂家对Java代码场景是：使用new关键字对时候、读取或设置一个类对静态字段(被final修饰、已在编译器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.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。

• 3.初始化一个类的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

• 4.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JDK1.7以上的动态语言支持时，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。

这5种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。还有就是被动引用：所有引用类的方式都不会触发初始化。

下面是3个被动引用的例子。

/**
 * 被动使用类字段演示一：
 * 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
 **/
public class SuperClass {

    static {
        System.out.println("SuperClass init");
    }
    
    public static int value = 123;
}

class SubClass extends SuperClass {
    
    static {
        System.out.println("SubClass init");
    }
}

/**
 * 非主动使用类字段演示
 */
class NotInitialization {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}

上述代码只会输出"SuperClass init"和"123"。对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化。因此通过其子类来引用父类定义的静态字段，只会触发父类的初始化。至于是否要触发子类的加载和验证，取决于虚拟机的具体实现。对于Sun HotSpot虚拟机来说，可通过-XX:+TraceClassLoading参数会导致子类的加载。

/**
 * 被动使用类字段演示二：通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化
 */
class NotInitialization {

    public static void main(String[] args) {

        SuperClass[] sc = new SuperClass[10];
    }
}

这段代码没有触发初始化，但里面触发了另外一个名为"[LSuperClass"类的初始化阶段，对于用户代码来说，这并不是一个合法的类名称，它是由虚拟机自动生成的、直接继承与java.lang.Object的子类，创建动作由字节码指令newarray触发。

/**
 * 被动使用类字段演示三：
 * 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化
 */
class ConstClass {

    static {
        System.out.println("ConstClass init");
    }

    public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}
class NotInitialization {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
    }
}

上述代码也没有输出"ConstClass init"，因为Java源码中引用了ConstClass类中的常量HELLOWORLD，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值"hello world"存储到了NotInitialization类的常量池中。所以在NotInitialization对ConstClass.HELLOWORLD的引用实际上是对自身常量池的引用。

接口的加载过程与类的加载过程稍有些不同：接口也有初始化过程，但是接口中不能用static{}静态代码块，但编译器仍然会为接口生成<cinit>()类构造器，用于初始化接口中定义的成员变量。

接口与类真正的区别是上面初始化场景的第3种：当一个类初始化时，要求其父类全部都已经初始化过，但接口初始化时，并不要求父类接口全部都完成了初始化，只有真正用到父接口但时候(如引用接口中定义的常量)才会初始化。

3.类加载的过程

3.1 加载

"加载"是"类加载"过程的一个阶段，虚拟机需要完成3件事情：

• 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。

对于非数组类的加载阶段(准确的说是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作)是开发人员可控性最强的，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器完成，也可以由用户自定义的类加载器完成。

对于数组，数组类本身不通过类加载器创建，是由Java虚拟机直接创建的。但数组类与类加载器也有密切关系，因为数组类但元素类型(指去掉所有维度但类型)最终要靠类加载器创建。

3.2 验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保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。

验证大致上会完成4个阶段的检验：

1.文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范。

• 是否以磨数0xCAFEBABE开头。

• 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。

• 常量池的常量是否有不被支持的常量类型(检查常量tag标志)。

• ..............

2.元数据验证：字节码描述的信息是否符合Java语言规范。

• 这个类是否有父类。

• 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、符合逻辑的。

• 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：在操作栈放置了int类型的数据，使用时按long类型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。

• 保证类型转换是有效的。

• ........

4.符号引用验证：对类自身以外(常量池中各种符号引用)的信息进行匹配性校验。

• 符号引用中通过字符串描述的全限定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。

• 符号引用的类、字段、方法的访问性是否可以被当前类访问。

• .............

3.3 准备

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。

注意：

这时进行内存分配的仅包括类变量(static修饰)，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，初始值通常是数据类型的零值，例如"public static int v = 123"，变量v在准备阶段后初始值为0。(这个时候尚未执行任何Java方法)

基本数据类型的零值

如果是"public static final int v = 123"，那么准备阶段就会给v赋值为123。

3.4 解析

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：以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存和布局无关，引用的目标并不一定已经加载到内存中了。

• 直接引用：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。直接引用和虚拟机实现的内存布局有关，引用的目标必定已经在内存中了。

解析动作主要针对类或接口、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。分别对应常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_InvokeDynamic_info。(先说前4中，后3中第8章介绍)

下面都把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用。

1.类或接口的解析

假设当前代码所处的类为D，那么有3个步骤：

• 如果C不是数组类型，虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。

• 如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，N的描述符会是类似"[Ljava/lang/Integer"的形式，将会按照第1电的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型是"java.lang.Integer"，接着由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。

• 如果上面没有异常，解析完成前会进行符号引用验证，确认D是否具备C的访问权限。如果没有权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

2.字段解析

首先将字段表内class_index中索引的CONSTANT_Class_info符号引用解析(就是字段所属的类或接口的符号引用)。如果解析完成，会有以下步骤：

• 如果C包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个应用。

• 否则，如果C实现了接口，将会按继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，如果找到则返回。

• 否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果找到则返回。

• 否则，查找失败，抛出"java.lang.NoSuchFieldError"异常。

• 如果成功返回了引用，将会对字段进行权限认证。如果发现没有权限抛出"java.lang.IllegalAccessError"异常。

3.类方法解析

先解析出类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，解析成功后，有以下几个步骤：

• 类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果方法表中发现class_index中索引的C是个接口，直接抛出"java.lang.IncompatibleClassChangeError"异常。

• 在类C查找是否有简单名称和描述符与目标匹配的方法，如果有则返回。

• 否则，在类C的父类中递归查找是否有与目标匹配的方法，如有有则返回。

• 否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口中递归查找是否有与目标匹配的方法，如果有说明C是抽象类，查找结束，抛出"java.lang.AbstractMethodError"异常。

• 否则，方法查找失败，抛出"java.lang.NoSuchMethodError"异常。

如果查找成功，返回直接引用。会对这个方法进行权限认证，如果没有权限，抛出"java.lang.IllegalAccessError"异常。

4.接口方法解析

同样，解析接口方法表class_index中索引对方法所属对类或接口的符号引用，如果解析成功，会执行以下步骤：

• 如果接口方法表中发现class_index中的索引C是个类，直接抛出"java.lang.IncompatibleClassChangeError"异常。

• 否则，在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用。

• 否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类，查找是否有简单名称和描述符与目标相匹配的方法，如果有则返回。

• 否则，方法查找失败，抛出"java.lang.NoSuchMehtodError"异常。

接口所有方法默认都是public，没有访问权限问题。

3.5 初始化

这个阶段才真正开始执行类中定义的Java程序代码。(字节码)

准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员通过程序的主观计划初始化类变量和其他资源。或者说，初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

4.类加载器

通过一个类到全限定名来获取描述此类到二进制字节流。

4.1 类与类加载器

比较两个类是否"相等"，只有在这两个类是由同一个类加载器加载到前提下才有意义。

否则，即使两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那么这两个类必定不想等。例如：满足以上条件时，自定义的类加载器与虚拟机的类加载器加载的必定不"相等"。

4.2 双亲委派模型

虚拟机而言，只有两种类加载器：启动类加载器(C++实现，是虚拟机自身的一部分)和其他所有的类加载器(Java实现，独立于虚拟机外部，全部继承java.lang.ClassLoader)。

双亲委派模型

工作过程：一个类加载器收到类加载请求，首先不会自己尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到启动类加载器，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己加载。