java虚拟机类加载机制 ——类加载的过程

1. 类加载的过程

  接下来讲解虚拟机中类加载的全过程，即：加载、验证、准备、解析和初始化这6个阶段所执行的操作。

1.1 加载

  加载是“类加载”的过程的一个阶段，在此期间，虚拟机主要完成以下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的访问入口。

  相对于类加载过程的其它阶段，一个非数组类的加载过程阶段（准确地说，是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作）是开发人员可控性最强的，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员可以通过自定义的类加载器去控制字节流的获取方式（即重写一个类加载器的loadClass方法）。

由于此过程并没有规定二进制流要从哪里获取、怎么获取，所以其实现的灵活性很大，如：

• 从ZIP包中读取，日后成为了JAR、EAR、WAR格式的基础；
• 从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Applet；
• 运行时计算生成，这种场景使用最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是使用ProxyGenerator.generateProxyClass（不知此为何物...看了还差太多啊T T）来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类二进制字节流；
• 由其他文件生成，典型场景是JSP应用，即由JSP文件生成对应的Class类
• ...

  对于数组类而言，类的加载情况就有所不同，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建的，但数组类与类加载器仍然有密切的关系，因为数组类的元素类型（Element Type,指的是数组去掉所有维度的类型）最终是要靠类加载器去创建，一个数组类（以下简称C）创建过程就遵循以下规则：

• 如果数组的组件类型（Component Type，指数组去掉一个维度的类型）是引用类型，那么就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组建类型，数组C将加载该组建类型的类加载器的类名称空间上被标识（因为一个类必须与一个类加载器一起确定其唯一性）；
• 如果数组的组件类型不是引用类型（如int[]数组），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联；
• 数组类的可见性与它组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组的可见性默认为public。

  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，虚拟机规范未定义此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象（并没有明确规定是在java堆中，对于HotSpot而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存储在方法区中），这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。

  加载阶段和连接阶段的部分内容（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

1.2 验证

  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。Class文件并不一定要用Java源码编写，可以使用任何途径产生，甚至包括用16进制编辑器直接编写Class文件，虚拟机如果不检查输入的字节流，对其完全信任的话，可能会因为载入了有害字节流而使系统崩溃，所有验证阶段非常重要，这个阶段是否严谨直接决定了Java虚拟机是否能够承受恶意代码的攻击，从执行性能的角度讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中占了相当大的一部分。从整体上看，验证阶段大致分为4个检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

• 文件格式验证：该阶段主要的目的是保证输入的字节流能够正确地解析并存储于方法区之内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求，这个阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面的三个阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流：是否以魔数：0xCAFEBABY开头；主次版本号是否在当前虚拟机处理范围内、常量池的常量中是否有不被支持的常量类型......
• 元数据验证：这一阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求，这个阶段可能包括的验证点如下：这个类是否有父类（除了Object所有的类都应该有父类）；这个类的父亲是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）；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；类中的字段、方法是否与父类产生矛盾（例如覆盖父类的final字段，或者出现不合规则的方法重载等）。
• 字节码验证：这个阶段是验证过程中最复杂的一个阶段，其主要目的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肥西，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。
• 符号引用验证：发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将发生在连接的第三阶段解析阶段中发生，符号引用验证可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验，通常校验以下内容：符号引用中通过字符串描述的全限定名否找到对应的类；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；符号引用中的类、字段、方法的访问性是否可以被当前类访问。  符号引用验证的目的是确保解析动作能否正常执行，如果无法通过符号引用验证，那么将会抛出异常，对虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要（因为对运行期没有影响）的阶段。

1.3 准备

  准备阶段是正是为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段。这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配，这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先这时候进行的内存分配的仅包括类变量(STATIC修饰的变量)，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中，其次，这里说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。

public static int value = 123；<span style="font-family:SimSun;font-size:14px;"> </span>

  那变量value在准备阶段之后值就为0，而非123，因为这时尚未开始任何Java方法，而把value赋值为123的putstatic指令时程序编译后，存放于类构造器<clinit>()方法之中，所以把value赋值为123的动作将会在初始化阶段才执行。

  注意：如果字段属性表中存放的是ConstantValue属性，那在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值。

public static final int value = 123

  编译时javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机便会把其value值设置成123.

1.4 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；

1.5 初始化

  类初始化阶段是累加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制，到了初始化阶段才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码）。

  在准备阶段，变量已经赋过一次刺痛要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源,或者可以从另外一个角度表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

• <clinit>()方法是由编译期自动收集类中的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，编译期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，在前面的静态语句块中可以赋值，但是不可以访问；
  

public class Test {static{i = 0;                  //可以赋值System.out.println(i); //Cannot reference a field before it is defined}static int i = 1;}

• <clinit>()方法（类变量初始化时执行）与类的构造函数（或者说实例构造器<init>()）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>()方法执行前，父类的该方法执行完毕，因此虚拟机中第一个执行的该方法肯定是java.lang.Object；
• <clinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句快，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生产<clinit>()方法；
• 接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成<clinit>()方法，但接口和类不同的是，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使用时，父接口才会初始化，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正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()完毕，如果一个类中<clinit>()方法有耗时很长的操作，就可能造成多个线程阻塞。