类加载机制

作者: 随时学丫 | 来源:发表于2018-05-25 12:43 被阅读51次

类加载机制

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，初始化，最终形成能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开始，到卸载出内存为止，整个生命周期包括：

加载，验证，准备，解析，初始化，使用，卸载

类加载.png

其中加载，验证，准备，初始化，卸载这 5 个阶段顺序是确定的，类加载过程必须按照这种顺序按部就班的开始，而解析阶段则不一定，解析阶段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（动态绑定/晚期绑定）。

1 加载

加载阶段主要完成 3 件事情：

通过类的全限定名来获取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，作为这个类的各种数据在方法区的访问入口。

2 验证

目的：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，并且不会损害虚拟机自身的安全。

文件格式校验：字节流是否符合 Class 文件格式的规范，并能被当前版本的虚拟机处理。
元数据校验：字节码描述的信息进行语义分析，保证其描述的信息符合 Java 语言规范的要求。
字节码校验：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。在第二阶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，保证被校验的类的方法在运行时不会做出危害虚拟机的安全事件。
符号引用校验：这是最后一个阶段的验证，它发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候（解析阶段中发生该转化，后面会有讲解），主要是对类自身以外的信息（常量池中的各种符号引用）进行匹配性的校验。

3 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，这些内存都将在方法区中分配。

对于该阶段有以下几点需要注意：

这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。
这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

假设一个类变量的定义为：public static int value = 3;

那么变量 value 在准备阶段过后的初始值为 0，而不是 3，因为这时候尚未开始执行任何 Java 方法，而把 value 赋值为 3 的 putstatic 指令是在程序编译后，存放于类构造器 <clinit>() 方法之中的，所以把value 赋值为 3 的动作将在初始化阶段才会执行。

这里还需要注意如下几点：
- 对基本数据类型来说，对于类变量（static）和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。
- 对于同时被 static 和 final 修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被 final 修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。
- 对于引用数据类型 reference 来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即 null。
- 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。
数据类型默认零值数据类型默认零值

int 0 boolean false

long 0L float 0.0f

short (short) 0 double 0.0d

char '\u000' reference null

byte (byte) 0
如果类字段的字段属性表中存在 ConstantValue 属性，即同时被 fina l和 static 修饰，那么在准备阶段变量 value 就会被初始化为 ConstValue 属性所指定的值。

数据类型	默认零值	数据类型	默认零值
int	0	boolean	false
long	0L	float	0.0f
short	(short) 0	double	0.0d
char	'\u000'	reference	null
byte	(byte) 0

假设上面的类变量value被定义为： public static final int value = 3；

编译时 Javac 将会为 valu e生成 ConstantValue 属性，在准备阶段虚拟机就会根据 ConstantValue 的设置将 value 赋值为3。我们可以理解为 static final 常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中。

4 解析

解析阶段是虚拟机将常量池中的符号引用转化为直接引用的过程。

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布局无关，引用的目标并不一定已经加载到了内存中。
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。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那说明引用的目标必定已经存在于内存之中了。

前面说解析阶段可能开始于初始化之前，也可能在初始化之后开始，虚拟机会根据需要来判断，到底是在类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析（初始化之前），还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它（初始化之后）。

对同一个符号引用进行多次解析请求时很常见的事情，虚拟机实现可能会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，并把常量标示为已解析状态），从而避免解析动作重复进行。

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，分别对应于常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info四种常量类型。

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，查找流程如下图所示：

img

class Super{  
    public static int m = 11;  
    static{  
        System.out.println("执行了super类静态语句块");  
    }  
}  
class Father extends Super{  
    public static int m = 33;  
    static{  
        System.out.println("执行了父类静态语句块");  
    }  
}  
class Child extends Father{  
    static{  
        System.out.println("执行了子类静态语句块");  
    }  
}  
public class StaticTest{  
    public static void main(String[] args){  
        System.out.println(Child.m);  
    }  
} 
执行了super类静态语句块
执行了父类静态语句块
33
//如果注释掉Father类中对m定义的那一行，则输出结果如下：
执行了super类静态语句块
11

static变量发生在静态解析阶段，也即是初始化之前，此时已经将字段的符号引用转化为了内存引用，也便将它与对应的类关联在了一起，由于在子类中没有查找到与m相匹配的字段，那么m便不会与子类关联在一起，因此并不会触发子类的初始化。
最后需要注意：理论上是按照上述顺序进行搜索解析，但在实际应用中，虚拟机的编译器实现可能要比上述规范要求的更严格一些。如果有一个同名字段同时出现在该类的接口和父类中，或同时在自己或父类的接口中出现，编译器可能会拒绝编译。如果对上面的代码做些修改，将Super改为接口，并将Child类继承Father类且实现Super接口，那么在编译时会报出如下错误：
StaticTest.java:24: 对 m 的引用不明确，Father 中的 变量 m 和 Super 中的 变量 m 都匹配
System.out.println(Child.m);

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，知识接口不会有父类，因此，只递归向上搜索父接口就行了。

5 初始化

初始化是类加载过程的最后一步，到了此阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码。在准备阶段，类变量已经被赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则是根据程序员通过程序指定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者可以从另一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

这里简单说明下 <clinit>() 方法的执行规则:

<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中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句中可以赋值，但是不能访问。
<clinit>() 方法与实例构造器<init>() 方法（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 <clinit>() 方法已经执行完毕。因此，在虚拟机中第一个被执行的<clinit>() 方法的类肯定是 java.lang.Object。
<clinit>() 方法对于类或接口来说并不是必须的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成 <clinit>() 方法。
接口中不能使用静态语句块，但仍然有类变量（final static）初始化的赋值操作，因此接口与类一样会生成 <clinit>() 方法。但是接口鱼类不同的是：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一样不会执行接口的 <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，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的 <clinit>() 方法，其他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，那就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

下面给出一个简单的例子，以便更清晰地说明如上规则：

class Father{  
    public static int a = 1;  
    static{  
        a = 2;  
    }  
}  
class Child extends Father{  
    public static int b = a;  
}  
public class ClinitTest{  
    public static void main(String[] args){  
        System.out.println(Child.b);  
    }  
}  
//执行上面的代码，会打印出2，也就是说b的值被赋为了2。
首先在准备阶段为类变量分配内存并设置类变量初始值，这样 A 和 B 均被赋值为默认值 0，而后再在调用<clinit>() 方法时给他们赋予程序中指定的值。当我们调用 Child.b 时，触发 Child 的 <clinit>() 方法，根据规则2，在此之前，要先执行完其父类Father的 <clinit>() 方法，又根据规则 1，在执行 <clinit>() 方法时，需要按static语句或 static 变量赋值操作等在代码中出现的顺序来执行相关的 static 语句，因此当触发执行Father的<clinit>() 方法时，会先将 a 赋值为 1，再执行 static 语句块中语句，将a赋值为2，而后再执行Child类的<clinit>() 方法，这样便会将b的赋值为 2.
//如果我们颠倒一下Father类中“public static int a = 1;”语句和“static语句块”的顺序，程序执行后，则会打印出1。
很明显是根据规则1，执行Father的<clinit>（）方法时，根据顺序先执行了static语句块中的内容，后执行了“public static int a = 1;”语句。
另外，在颠倒二者的顺序之后，如果在static语句块中对a进行访问（比如将a赋给某个变量），在编译时将会报错，因为根据规则1，它只能对a进行赋值，而不能访问。

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