JVM学习（一）：Java类的加载机制

作者: J先生有点儿屁 | 来源:发表于2018-08-01 14:09 被阅读16次

一、类加载机制

1、类加载？

1.1 什么是类加载机制？

首先，在代码被编译器编译后生成的二进制字节流(.class)文件；
然后，JVM把Class文件加载到内存，并进行验证、准备、解析、初始化；
最后，能够形成被JVM直接使用的Java类型的过程。
--这就是类加载机制

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时才加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载。
如果预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或者存在错误，类加载器不会马上报告错误；类加载器必须在程序【首次主动使用】该类时才报告错误（LinkageError错误）。

1.2 加载.class 文件的方式

从本地系统中直接加载
通过网络下载.class文件
从zip、jar等文件中加载
从专有数据库中提取.class文件
将Java远文件动态编译为.class文件

2、类加载流程图

类加载机制

二、类加载机制阶段详解

1、类的加载

类的加载是类加载机制过程的第一个阶段，该阶段主要完成三件任务：

①. 通过类的全限定名来获取类的二进制字节流。
②. 将字节流中所有代表的静态存储结构转化为【方法区】的运行时数据结构。
③. 在内存Java堆中生成一个代表这个类的Java.lang.Class对象，作为方法区中这个类的各种数据的访问入口。

2、连接

在经历类的加载过程后，生成了类的java.lang.Class对象，接着会进入连接阶段。连接阶段负责将类的二进制数据合并如JRE（Java运行时环境）中。类的连接大致分为三个阶段。

2.1 验证阶段

验证：确保被加载的类符合JVM规范和安全。
验证是连接阶段的第一步，这一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。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

文件格式验证：
验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
元数据验证：
对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），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。
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。
符号引用验证：确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

2.2 准备（重点！！）

准备阶段：为类的静态变量（static filed）在【方法区】分配内存，并附上默认初始值（0或者null值）。

静态变量在方法去分配内存
静态变量在分配内存后，附上初始值。

静态常量（static final filed）会在准备阶段直接将程序设定的值附上。
例如：

static final int a = 10; 
// 该静态常量a 会在【准备阶段】直接将10赋值。
static int b = 11;
// 该静态变量b 在【准备阶段】只会赋值初始值0，等到了【初始化】阶段会将真正的11赋值给静态变量b。

2.3 解析

解析：把类中的符号引用转换为直接引用。

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，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。

符号引用，就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。
直接引用，就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

3、初始化（重点！！）

初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值。
初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法。

3.1 在Java中堆类变量惊喜初始值设定有两种方式：

①声明类静态变量是制定初始值。
②使用静态代码块为类静态变量制定初始值。

3.2 JVM初始化步骤

① 如果这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类。（其实就是执行上面的类加载、连接两步骤）
② 如果的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类。
③ 如果这个类中有初始化语句，则系统会一次执行这些初始化语句。

3.3 类初始化时机

类初始化时机，有且只有主动引用时才会触发类的初始化。
被动引用则不会触发类初始化。
类初始化时间后面单独详细说明。

4、使用

类的正常使用。

5、卸载

类的卸载需要根据【该类对象不再被引用+GC回收】来判断何时被卸载。

①由Java虚拟机自带的类加载器所加载的类，在虚拟机的生命周期中，始终不会被卸载。因为一直被引用着。
②由用户自定义的类加载器加载的类是可以被卸载。

三、类的加载时机与初始化时机

（一）类的加载时机

当应用程序启动的时候，所有的类都会被一次性加载吗？
答案是否定的。不能，因为如果一次性加载，内存资源有限，可能会影响应用程序的正常运行。

类是什么时候i被加载的呢？
当一个类真正被加载的时机是在创建对象的时候，才会执行类加载。
例如：A a= new A();该类的加载，只有在创建对象的时候才加载类。
其中，最先加载拥有main方法的主线程所在的类。

（二）类的初始化时机（重要！！）

引用方式主要分为两种：主动引用和被动引用。
有且只有主动引用才会触发类初始化的过程。被动引用不会触发类初始化过程。

主动引用

有且只有主动引用才会触发类初始化的过程。触发主动引用的方式有以下五种：

1. 创建类的实例。即通过new的方式，new一个对象。
  例如：
```
A a = new A();
```

调用类的静态变量(非final修饰的常量) 和静态方法。
代码示例：

Test3.class代码如下

public class Test3 {
    public static final int A = 10;// 静态常量， 不会触发初始化，该代码在连接准备阶段已赋值。
    public static int B = 11;// 静态变量， 在被外界调用时，会主动触发类的初始化。

    static{//静态代码块，如果类初始化，则一定会执行该代码块
        System.out.println("test3..print~~~");
    }

    public void fun() {//实例方法，只有实例化后代码才能调用此方法
        System.out.println("test3..fun~~~");
    }

    public static void fun2() {//静态方法，在被外界调用时，会主动触发类的初始化。
        System.out.println("test3..static fun2...");
    }
}

mian()方法测试代码：

public class TestStatic {
    public static void main(String[] ags) {
//        申明类时,不会主动触发初始化流程.
        Test3 test3;

//        类的静态常量,不会触发初始化，该代码在连接准备阶段已赋值。
        System.out.println("test3 A "+Test3.A);

//        类的静态变量,在被外界调用时，会主动触发类的初始化。【注意，此时会初始化Test3】
        System.out.println("test3 B " + Test3.B);

//      直接调用test3的静态方法fun()，也会主动触发类的初始化工作。
        test3.fun();
    }
}

输出内容：

test3 A 10
test3..print~~~
test3 B 11

这里会发现，static静态代码块先执行，然后再执行static变量初始化。

通过反射对类进行调用。
例如：Class.forName("com.jx.Test2");

Test3.class示例代码：

public class Test3 {
    public static final int A = 10;// 静态常量， 不会触发初始化，该代码在连接准备阶段已赋值。
    public static int B = 11;// 静态变量， 在被外界调用时，会主动触发类的初始化。

    static{//静态代码块，如果类初始化，则一定会执行该代码块
        System.out.println("test3..print~~~");
    }

    public void fun() {//实例方法，只有实例化后代码才能调用此方法
        System.out.println("test3..fun~~~");
    }

    public static void fun2() {//静态方法，在被外界调用时，会主动触发类的初始化。
        System.out.println("test3..static fun2...");
    }
}

mian()方法类，测试代码：

public class TestStatic {  
    public static void main(String[] ags) {
        try {
            Class<?> aClass = Class.forName("com.jx.Test3");//调用此代码，则类会初始化。
            System.out.println("aClass " + aClass);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出内容：

test1..print~~~
aClass class com.jx.Test1

初始化某个类的子类，则父类也会被初始化。

Test4.class示例代码：

    public class Test4 extends Test3 { // 继承了Test3
        public void fun4() {
            System.out.println("test4...fun4...");
        }
    }

测试代码：

    public class TestStatic {
        public static void main(String[] ags) {
            Test4 test4 = new Test4();
            test4.fun4();
        }
    }

输出内容：

test3..print~~~
test4...fun4...

Java虚拟机启动时，指定的main方法所在的类，需要被提前初始化。

测试代码：

    public class TestStatic {
        static {
            System.out.println("test static ...");
        }
        public static void main(String[] ags) {
            Test4 test4 = new Test4();
            test4.fun4();
        }
    }

输出内容：

test static ...
test3..print~~~
test4...fun4...

被动引用

被动引用，不会发生类的初始化过程。
被动引用又分为三种方式：

当访问一个类的静态变量时（该静态变量是父类所持有），只有真正声明这个变量的类才会初始化。
子类调用父类的静态变量，只有父类初始化，而子类不会进行初始化。

代码示例：

public class SuperClass { // 父类
    public static int A = 7; // 父类静态变量

    static { // 静态代码块在初始化时执行
        System.out.println("super class static ...");
    }
}

public class SubClass extends SuperClass { // 子类继承父类
    static { // 静态代码块在初始化时执行
        System.out.println("sub class static ...");
    }
}

public class TestStatic2 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("A =" + SubClass.A);  // 调用子类继承的父类静态变量
    }
}

输出内容：
```
super class static ...
A =7
```

通过数据定义引用类，不会触发类的初始化。
因为是数据进行new，而对应的应用类没有被new，所以该类没有触发任何主动引用。

代码示例

public class TestStatic3 {
    public static void main(String[] args) {
        SuperClass[] superClasses = new SuperClass[3];
        System.out.println(superClasses);
    }
}

输出内容：

[Lcom.jx.SuperClass;@193b845

final 常量不会触发类的初始化，因为编译阶段就存储在常量池中。

//常量类
public class ConstClass {
    static{
        System.out.println("常量类初始化！");
    }
    
    public static final String HELLOWORLD = "hello world!";
}
 
//主类、测试类
public class NotInit {
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
    }
}

四、类生命周期与JVM生命周期

（一）类的生命周期

当一个类被加载、连接、初始化后，它的生命周期就开始了。
当这个类的class对象不再被引用，即类不可触及时，Class对象就会结束生命周期。这个类在方法区的数据也会被卸载，从而结束这个类的生命周期。
所以，一个类结束生命周期，取决于代表它的Class对象何时结束生命周期。

（二）JVM生命周期

Java虚拟机结束生命周期的情况：

1.执行了System.exit()方法.
1. 程序正常执行结束。
1. 程序在执行过程中遇到了异常或错误而并未处理，导致异常终止。
1. 由于依赖的操作系统出现错误，而导致Java虚拟机进程终止。

参考

http://www.ityouknow.com/jvm/2017/08/19/class-loading-principle.html
https://blog.csdn.net/xorxos/article/details/80490240
https://www.cnblogs.com/qiuyong/p/6407418.html?utm_source=itdadao&utm_medium=referral

网友评论

n油炸小朋友:“final 常量不会触发类的初始化，因为编译阶段就存储在常量池中”--》编译阶段应该是准备阶段？
J先生有点儿屁:@油炸小居崽笔误，应该是连接阶段的准备阶段。感谢指正...
n油炸小朋友:（二）类的初始化时机下的test3的例子得出的结论：“这里会发现，static静态代码块先执行，然后再执行static变量初始化。”这里不妥吧，我认为那里只能说明main函数的输出晚于test3的静态代码块，不能说明static变量初始化比静态代码块晚。
J先生有点儿屁:@油炸小居崽是的，这个确实不能说明static变量初始化比静态代码块晚。谢谢指正..

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目录

一、类加载机制

1、类加载？

1.1 什么是类加载机制？

1.2 加载.class 文件的方式

2、类加载流程图

二、类加载机制阶段详解

1、类的加载

2、连接

2.1 验证阶段

2.2 准备（重点！！）

2.3 解析

3、初始化（重点！！）

3.1 在Java中堆类变量惊喜初始值设定有两种方式：

3.2 JVM初始化步骤

3.3 类初始化时机

4、使用

5、卸载

三、类的加载时机与初始化时机

（一）类的加载时机

（二）类的初始化时机（重要！！）

主动引用

被动引用

四、类生命周期与JVM生命周期

（一）类的生命周期

（二）JVM生命周期

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1.1 什么是类加载机制？

1.2 加载.class 文件的方式

2、类加载流程图

二、类加载机制阶段详解

1、类的加载

2、连接

2.1 验证阶段

2.2 准备（重点！！）

2.3 解析

3、初始化（重点！！）

3.1 在Java中堆类变量惊喜初始值设定有两种方式：

3.2 JVM初始化步骤

3.3 类初始化时机

4、使用

5、卸载

三、类的加载时机与初始化时机

（一）类的加载时机

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四、类生命周期与JVM生命周期

（一） 类的生命周期

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