虚拟机类加载的过程

一、类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，其生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载 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，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，但解析不一定：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。

这些阶段通常是相互交叉地混合式进行，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

Java虚拟机规范中没有明确要求在什么情况下必须开始类加载过程的第一个阶段，即加载阶段。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定有且只有 5 种情况（主动引用）必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证和准备自然需要在这之前开始）：

遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这4条字节码指令时，如果类没有初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条字节码指令的场景分别是：使用 new 关键字实例化对象、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已经在编译期把结果放入了常量池的静态字段除外）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，如果发起其父类还没有初始化，则需要先触发其父类的初始化（如果该类为接口，并不需要其父接口全部都初始化，只有在真正使用到父接口的时候）。

当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main（）的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。

当使用jdk7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进行初始化，则需要先触发其初始化。

请看下面的例子：

public class SuperClass {

public static int value=123;

static {

System.out.println("SuperClass init");

}

}

public class SubClassextends SuperClass {

static {

System.out.println("SubClass init");

}

}

public class NotInitialization {

public static void main(String[] args) {

System.out.println(SubClass.value);

}

}

其结果如下：

说明了对于静态字段，只有直接定义了这个字段的类才会被初始化。

public class ConstClass {

static {

System.out.println("ConstClass init");

}

public static final StringHELLO="Hello";

}

public class NotInitialization {

public static void main(String[] args) {

// System.out.println(SubClass.value);

//SuperClass[] sca=new SuperClass[10];

System.out.println(ConstClass.HELLO);

}

}

其结果如下：

说明了被final修饰，编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值“hello”存储到NotInitialization类的常量池中。

二、类加载的过程

2.1、加载

在加载阶段，虚拟机需要完成以下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Metaspace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，作为这个类的各种数据的访问入口。

加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流按照虚拟机所需的格式存储在Metaspace中，Metaspace中的数据存储结构由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class对象（并没有明确规定是在Java堆中，对应HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，虽然是对象，但是存放在Metaspace中），这个对象将作为程序访问Metaspace中的这些类型数据的外部接口。

2.2、验证

验证阶段非常重要，这个阶段是否严谨直接决定了Java虚拟机能接受恶意代码的攻击。验证阶段主要会完成以下4个阶段的验证动作。

文件格式验证，比如：魔数、版本号、常量类型等是否合法。

元数据验证，这个阶段主要是进行语义分析，以保证其描述信息符合Java语言规范的要求。

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。主要是对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的安全事件。

符号引用验证，最后一阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在链接的第三个阶段——解析阶段中发生。比如能否通过字符串描述的全限定名找到对应的类。

2.3、准备

准备阶段是正式为类变量分配内存（Metaspace中）并且设置类变量的零值的阶段。

2.4、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：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，只是使用时能无歧义地定位目标即可。

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

对同一符号引用进行多次解析请求是常见的事情，除了invokedynamic指令外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录直接引用，并且把常量标识为已经解析状态）从而避免解析动作重复进行。

2.4.0、类或接口的解析

假设当前类为 C ,如果要把从来没有解析过的符号引用 S 解析为一个类 Cc 的直接引用，虚拟机完成整个解析过程需要以下3个步骤：

如果 Cc 不是一个数组，虚拟机会将符号引用 S 传递给 C 的类加载器去加载这个类。在加载过程中中，由于元数据校验、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作。例如加载这个类的父类或者实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程宣告失败。

如果 Cc 是一个数组，按照上面的规则加载数组元素类型，接着由虚拟机创建一个代表此数组维度和元素的数组对象。

如果上面的过程没发生任何异常，则 Cc 在虚拟机中实际上已经成为一个有效地类或者接口了，但是解析完成之前还要进行符号引用验证，确认C是否具备对 Cc 的访问权限。如果发现不具备Cc的访问权限，将要抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常。

2.4.1、字段的解析

要解析一个字段的符号引用，首先将会对字段表中 name_index 索引的CONSTANT_Class_info 符号引用解析，即字段所属的类或接口的符号引用。

如果在解析这个类或者接口的过程中出现了异常，都会导致字段符号引用解析失败。如果解析成功，假设用 C 表示这个字段所属的类或者接口（下同），虚拟机规范要求按照如下的步骤对 C 继续后续字段的搜索。

如果 C 本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。

否则，如果在 C 中实现了接口，将会按照继承的关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，如果接口中含了简单名称和描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。

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，如果在父类中含了简单名称和字段描述符都相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。

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

如果查找过程中成功返回了直接引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对该字段的访问权限，将抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常。

在实际应用中，虚拟机可能比上述规范要求严格，如果有一个同名字段出现在C的接口和父类中，那编辑器可能会拒绝编译。

2.4.2、类方法的解析

类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的（CONSTANT_Methodref_info , CONSTANT_InterfaceMethodref_info），如果在类方法中 class_index 索引对应是个接口，会直接抛出 java.lang.IncompatibleClassError 异常。

通过上一步后，首先在类 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 ， 查找结束。

否则，在类 C 的父类中递归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 ， 查找结束。

否则，在类 C 实现的接口列表及他们的父接口中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则说明类C是个抽象类 ， 查找结束，抛出 java.lang.AbstractMethodError 异常。

否则，查找失败，抛出 java.lang.NoSuchMethodError 异常 。

最后，如果查找成功返回了直接引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不具备对此方法的访问权限，将要抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常。

流程如下：

2.4.3、接口方法的解析

首先在接口 C 中查找是否有简单名称和描述符都与目标想匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用 ， 查找结束。

否则，在接口 C 的父接口中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标想匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用 ， 查找结束。

否则，查找失败，抛出 java.lang.NoSuchMethodError 异常 。

由于接口中所有的方法默认是 public，所以不存在权限校验。

2.5、初始化

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 () 方法的过程。

() 方法是有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{}）中语句合并产生的，编译器收集的顺序是有语句在源文件中出现的顺序所决定的，静态语句块中能访问到定义在其之前的变量，定义在之后的变量，只能为其赋值，不能访问。如下：

() 方法与类的构造函数（实例构造器 () 方法）不同，它不需要显示地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类 () 方法执行之前，父类的() 方法已经执行完毕。所以第一个被执行的 () 方法的类肯定是基类 java.lang.Object 。所以父类中的静态语句块要优先子类的变量赋值操作。如下：

() 方法不是对应类和接口来说不是必需的。如果没有静态语句块或者也没类变量赋值操作，编译器就不会为这个类生成() 方法。

接口中的 () 方法不需要先执行其父类的 () 方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化的时候也不会执行接口的 () 方法。

虚拟机会保证一个类的 () 方法在多线程环境中被正确的加锁、同步，如果多个类同时去初始化一个类，那么只有一个线程去执行这个类的 () 方法，其他的线程需要堵塞等等，知道活动线程执行完毕。

虚拟机类加载机制中主要过程如下：

三、类加载器

虚拟机团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己去决定如何去加载需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。类加载器中有个非强制性的约束模型，即“双亲委派模型”，各加载器直接的层次关系如下：