虚拟机类加载机制

虚拟机类加载机制概述

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。

Java与编译时需要进行连接工作的语言（C、C++）不同，Java中，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成。

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，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段。其中验证、准备、解析部分称为连接。

虚拟机规范严格规定有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”：

1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic指令
2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用
3. 初始化一个类，其父类未进行初始化，则先触发其父类的初始化
4. 虚拟机启动时，指定一个主类（包含main()方法的那个类）会被初始化
5. 使用java.lang.invoke.MethodHandle实例的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，则方法句柄对应的类触发初始化

注：已经初始化的类不会再次初始化

以下场景不会触发类的初始化

1. 引用父类的静态属性

public class SuperClassTest {
    public static String name = "SuperClassTest";

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

public class SubClassTest extends SuperClassTest {
    static {
        System.out.println("init SubClassTest");
    }
}

public class InitClassTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClassTest.name);
    }
}

执行结果：

init SuperClassTest
SuperClassTest

可以看到，引用父类的静态属性，该类是不会触发初始化。

2. 通过数组定义引用类

public class SuperClassTest {
    public static String name = "SuperClassTest";

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

public class InitClassTest {
    public static void main(String[] args) {
        SuperClassTest[] tests = new SuperClassTest[8];
    }
}

执行结果没有输出init SuperClassTest，说明SuperClassTest类并未被初始化。

3. 使用类的常量

public class SuperClassTest {
    public final static String name = "SuperClassTest";

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

public class InitClassTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SuperClassTest.name);
    }
}

执行结果：

SuperClassTest

说明，调用类的常量，final static属性，并不会触发类的初始化。

类加载的过程

指加载、验证、准备、解析、初始化5个阶段。

• 加载

注意，加载指的是类加载
在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：

1. 通过类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流
2. 将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. 生成一个代表该类的Class对象，作为方法区该类的各种数据访问入口

二进制字节流获取途径：

1. ZIP、JAR、EAR、WAR包
2. 网络中获取，类似Applet
3. 动态代理获取，java.lang.reflect
4. Proxy中获取，使用ProxyGenerator.generateProxyClass为特定接口生成“$Proxy”的代理类的二进制字节流
5. 从数据库中获取

......

• 验证

验证是连接阶段的第一步，该阶段目的是确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机的要求。

Class文件的二进制流是可以修改的，假设没有验证环节，执行被修改的Class文件后果是不可预知的。
试验一下，当前目录创建Test.java

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello");
    }
}

编译，正常运行，会输出hello

$ javac Test.java
$ java Test
hello

vim -b 打开Test.class文件

$ vim -b Test.class

<ca><fe><ba><be>^@^@^@4^@^]
^@^F^@^O        ^@^P^@^Q^H^@^R
^@^S^@^T^G^@^U^G^@^V^A^@^F<init>^A^@^C()V^A^@^DCode^A^@^OLineNumberTable^A^@^Dmain^A^@^V([Ljava/lang/String;)V^A^@
SourceFile^A^@  Test.java^L^@^G^@^H^G^@^W^L^@^X^@^Y^A^@^Ehello^G^@^Z^L^@^[^@^\^A^@^DTest^A^@^Pjava/lang/Object^A^@^Pjava/lang/System^A^@^Cout^A^@^ULjava/io/PrintStream;^A^@^Sjava/io/PrintStream^A^@^Gprintln^A^@^U(Ljava/lang/String;)V^@!^@^E^@^F^@^@^@^@^@^B^@^A^@^G^@^H^@^A^@      ^@^@^@^]^@^A^@^A^@^@^@^E*<b7>^@^A<b1>^@^@^@^A^@
^@^@^@^F^@^A^@^@^@^A^@  ^@^K^@^L^@^A^@  ^@^@^@%^@^B^@^A^@^@^@   <b2>^@^B^R^C<b6>^@^D<b1>^@^@^@^A^@
^@^@^@
^@^B^@^@^@^C^@^H^@^D^@^A^@^M^@^@^@^B^@^N

命令模式下输入“:%!xxd”，得出十六进制内容，下面显示前面部分内容

00000000: cafe babe 0000 0034 001d 0a00 0600 0f09  .......4........
00000010: 0010 0011 0800 120a 0013 0014 0700 1507  ................
00000020: 0016 0100 063c 696e 6974 3e01 0003 2829  .....<init>...()
00000030: 5601 0004 436f 6465 0100 0f4c 696e 654e  V...Code...LineN

把第二行的0010 0011改成0010 0012

00000000: cafe babe 0000 0034 001d 0a00 0600 0f09  .......4........
00000010: 0010 0012 0800 120a 0013 0014 0700 1507  ................
00000020: 0016 0100 063c 696e 6974 3e01 0003 2829  .....<init>...()
00000030: 5601 0004 436f 6465 0100 0f4c 696e 654e  V...Code...LineN

命令模式下输入“:%!xxd -r”，还原回来，并保持退出“:wq”，再运行java Test

$ java Test
Error: A JNI error has occurred, please check your installation and try again
Exception in thread "main" java.lang.ClassFormatError: Invalid constant pool index 18 in class file Test
        at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)

发现执行结果会抛出异常，以同样的步骤，将0010 0012修改回0010 0011，执行java Test，发现执行结果正常。

其实，抛出异常就是在验证阶段进行的。

整体上，验证有4个阶段：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

• 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，变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

1. 通常情况下，基本数据类型的类变量初始值为零值

    private static int test = 123;

test值初始化时首先为0，直到执行putstatic指令，test被赋值为123，该指令存放于类构造器<clinit>()方法中。
基本数据类型的零值表

数据类型	零值	数据类型	零值
int	0	boolean	false
long	0L	float	0.0f
short	(short)0	double	0.0d
char	'\u0000'	reference	null
byte	(byte)0

2. 基本数据类型常量初始值为该常量

    private static final int test = 123;

在准备阶段时，如果字段属性表中存在ConstantValue属性，准备阶段时，test被赋值为该ConstantValue属性。

• 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。

符号引用和直接引用

1. 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。与虚拟机实现的内存布局无关。
2. 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锁定位到目标的句柄。与虚拟机实现的内存布局相关。

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

1. 类或接口的解析
2. 字段解析
3. 类方法解析
4. 接口方法解析

• 初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，初始化阶段会执行类中定义的Java代码。

1. <clinit>()方法是由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态语句块(static{})
2. <clinit>()方法与类的构造函数不同，它不需要显式调用父类构造函数，虚拟机保证子类<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。
3. 类与接口<clinit>()方法不是必须的。
4. 接口不能使用静态语句块，但可以有变量初始化赋值操作。执行接口<clinit>()方法前不需要先执行父接口<clinit>()方法。
5. 虚拟机保证一个类的<clinit>()方法线程安全。