虚拟机类加载机制

虚拟机类加载机制

1，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，他的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）、和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为链接（Linking）,这7个阶段的发生顺序如图1所示：

上图中加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的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：它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（动态绑定或晚期绑定）。

注：这里的按部就班的“开始”，而不是按部就班的“进行”或“完成”，因为这些阶段通常都是互相交叉的混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

有且只有5中情况必须对类进行“初始化”（加载、验证、准备需要在此之前）：

>1,遇到new,getstatic,putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

>2,使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

>3,当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。

>4, 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。

>5，当使用JDK1.7的动态语言支持是，如果一个jav.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic,REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

3，类加载的过程

3.1 加载

“加载”是“类加载”(Class Loading)过程的一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成3件事。

>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的对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

3.2 验证

验证时链接的第一步，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。

这个阶段是否严谨，直接决定了java虚拟机是否能接受恶意代码的攻击。

验证阶段大致会完成下面4个阶段的验证动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

3.2.1，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处理，这一阶段可能包括一下验证点。

>1，是否已魔数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tag标志）。

>4，指向常量的各种索引值中是否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。

。。。。。。。。。。。。（还有很多）

3.2.2，元数据验证

第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，包括：

>1，这个类是否有父类（除了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被继承的类（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，例如方法参数都一制，但返回值类型却不同等）。

3.2.3，字节码验证

第三阶段是曾哥验证过程中最复杂的一个阶段，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。

>1，保证任意时刻操作数栈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，保证方法体重的类型转换时有效的。

如果一个类方法体的字节码没有通过字节码验证，那肯定是有问题的；但是如果一个方法通过了字节码验证，也不能说明他一定是安全的。

3.2.4，符号引用验证

最后一个阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在链接的第三阶段------解析阶段中发生。符号验证可以看作是对类自身以外的信息进行匹配性校验，需要校验一下内容：

>1，符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能够找到对应的类。

>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，符号引用的类、字段、方法的访问性（private，protected,public defaule）是否可被当前类访问。

3.3 ，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，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。这个时候进行内存分配的仅包括类变量（被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。这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。

如果变量定义为：

public static final int value=123;

那么编译时javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就好根据ConstantValue的设置将value赋值为123.

3.4，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。

符号引用（Symbolic References）：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符合可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义的定位到目标即可。

直接引用（Direct References）：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引用在不同目标的句柄。

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类引用进行.

>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，那虚拟机需要3个步骤

a，如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会代表N的全限定名传递个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，一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就算失败了。

b，如果C是一个数字类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述会是类似“【Ljava/lang/Enteger”的形式，那将会按照第一点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面的假设的形式，需要加载的类型就是“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组对象。

c，如果上面的步骤没有出现异常，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。如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessErreo异常。

>2，字段解析

要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。如果在解析这个类或接口符号引用的过程中出现了任何异常，都会导致字段符合引用解析的失败。如果解析成功，那将这个字段所属的类或接口用C表示，将按照虚拟机规范对C进行搜索。

>3，类方法解析

类方法解析的第一步骤与字段解析一样，也需要先解析出类方法表的class_index项中的索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果成功，用C表示这个类，虚拟机会对类方法搜索，步骤如下：

a，类方法的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。

b，如果通过步骤a，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。、

c ，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。

d，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，如果存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，这时查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

e，否则，方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。

最后，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，会抛出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项中所有的方法所属的类或接口的符号引用。如果解析成功，用C表示这个接口，虚拟机会按照以下步骤进行接口方法搜索

a，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是个类而不死接口，就会直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。

b，如果不是，在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标匹配的方法，如果有，则返回这个方法的直接引用，查找结束。

c，如果没有，在接口C的父接口中递归查找，知道java.lang.Object类（查找范围会包括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。

d，如果没有，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError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为题，因此接口方法的符合解析不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

3.5 ，初始化

类初始化时类加载过程的最后一步，前面的类加载的过程中，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，其余动作完全是虚拟机主导和控制。到了初始化，才真正开始执行类中定义的java程序代码（或者说字节码）。初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。