JVM类加载机制

在开发的过程中很少关注类文件的整个装载过程，因为虚拟机替我们做了这些。当需要访问的文件不在内存中，虚拟机就会在对应的目录下把文件加载到内存中进行一些列的处理过程，下面就看看这一系列步骤。

一、加载

“加载”是“类加载”过程的第一阶段，在加载阶段虚拟机需要完成以下3件事情：

1、通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。

2、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。

3、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访问入口。

加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，方法区中的数据存储格式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。

二、验证

这一阶段的目的是为了确保Class文件字节流中信息符合当前虚拟机规范。验证阶段大致上会完成下面4个检验动作：

1、文件格式验证。

第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机所处理。这一阶段可能包括下面这些验证点：

1）是否以魔数0xCAFEBABE开头。

2）主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。

3）常量池的常量是否有不被支持的常量类型（检查常量的tag标志）。

4）执行常量的各种索引中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量。

5）CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合Utf8编码的数据。

6）Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。

......

2、元数据验证。

第二阶段主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。这个阶段可能包括的验证点如下：

1）这个类是否有父类（除java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）

2）这个类的父类是否继承了不允许继承的类（被final修饰的类）。

3）如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法。

4）类中的字段、方法是否与父类产生矛盾（例如覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的方法重载，例如方法参数都一致，但返回值类型却不同）。

......

3、字节码验证。

主要是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，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件，例如：

1）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。

2）保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。

3）保证方法体中的类型转换是有效的。

4、符号引用验证。

最后一个阶段的校验发生在虚拟机符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外（产量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验，通常需要校验下列内容：

1）符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。

2）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。

3）符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可被当前类访问。

三、准备

准备阶段是正式为类变量（不包括实例变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。初始值通常情况下是数据类型的零值。但是会存在一些“特殊情况”：如果类字段的字段属性表存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量value就会初始化为ConstantValue属性指定的值。

//类常量private static final int value = 8;//class部分数据#4 = Utf8               value#5 = Utf8               I#6 = Utf8               ConstantValue#7 = Integer            8//对应的ConstantValue数据00 06 00 00 00 02 00 07

四、解析

解析阶段是将虚拟机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。

直接引用：直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能够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。

1、类或接口的解析

假设当前代码所处的类为D，如果要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，那虚拟机完成整个解析过程需要以下3个步骤：

1）如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载过程中，由于元数据验证、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实现的接口，一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就宣告失败。

2）如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类似“[Ljava/lang/Integer”，那将会按照第一点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的对象。

3）如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。

2、字段解析

要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段内class_index项的索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属类或接口的符号引用。如果在解析这个类或接口符号引用过程中出现了任何异常，都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功完成，那将这个字段所属的类或接口用C表示，虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索。

1）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。

2）否则，如果在C中实现了接口，将会按照继承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。

3）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。

4）否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFileError异常。

如果查找过程成功返回引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，将会抛出“java.lang.IllegalAccessError”异常。

3、类方法解析

类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也需要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，如果解析成功，我们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的类方法搜索。

1）类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class_index中索引的C是个接口，那就直接抛出“java.lang.IncompatibleClassChangeError”异常。

2）如果通过了第一步，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。

3）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。

4）否则，在类C实现的接口列表及他们的父接口之中递归 查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果存在相匹配的方法，说明C是一个抽象类，这是查找结束，抛出“java.lang.AbstractMethodError”异常。

5）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMehtodError。

如果查找过程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，将抛出“java.lang.IllegalAccessError”异常。

4、接口方法解析

接口方法也需要先解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属类或接口的符号引用，如果解析成功，依然用C表示这个接口，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索。

1）与类方法解析不同，如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。

2）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，查找结束。

3）否则，在接口C的父类中递归查找，知道java.lang.Object类（查找范围会包含Object类）为止，看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。

4）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMehtodError异常。

由于接口中的所有方法默认都是public的，所以不存在访问权限的问题，因此接口方法的符号解析应当不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

五、初始化

初始化阶段是执行类构造器<clinit>方法的过程。<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{}块）中的语句合并产生的。

    private static double age = 19;    private static String name = "hello";    private static int child = 9;

对应的字节码：

  static {};    descriptor: ()V    flags: ACC_STATIC    Code:      stack=2, locals=0, args_size=0         0: ldc2_w        #2                  // double 19.0d         3: putstatic     #4                  // Field age:D         6: ldc           #5                  // String hello         8: putstatic     #6                  // Field name:Ljava/lang/String;        11: bipush        9        13: putstatic     #7                  // Field child:I        16: return