虚拟机类加载机制(一)

1、概述

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、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。

与在编译时需要进行连接工作的语言不同，在Java语言里面，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的，这种策略会另类加载时稍微增加一些性能开销，但是会为Java应用程序提供高度的灵活性，Java里天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点来实现的。

2、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，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接。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。这些阶段是按部就班地开始，但是各个阶段通常都是互相交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段的过程中调用、激活另外一个阶段。

对于类加载过程的第一个阶段：加载。Java虚拟机规范中并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”：

1）遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。

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，虚拟机会先初始化这个主类。

5）当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的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。

对于这5种会触发类进行初始化的场景，虚拟机规范中使用了一个很强烈的限定语：有且只有，这5种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

3、类加载过程

3.1、加载

“加载”是“类加载”过程的一个阶段。在加载阶段，虚拟机要完成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；

对于非数组类，其加载阶段即可使用系统提供的引导类加载器来完成，也可由用户自定义的类加载器去完成，开发人员也可通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式。对于数组类，数组类本身不通过类加载器创建，是由Java虚拟机直接创建的。但数组类的元素类型是靠类加载器去创建的，数组类的创建过程遵循以下规则：

1）若数组的组件类型是引用类型，则递归地去加载组件类型，数组将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标示；

2）若数组的组件类型不是引用类型，虚拟机会将数组标记为与引导类加载器关联；

3）数组类的可见性与其组件类型一致，若组件类型不是引用类型，则数组类的可见性将默认为public。

加载阶段与连接阶段的部分内容是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始。但两阶段的开始时间仍然保持固定的先后顺序。

3.2、验证

验证是连接阶段的第一步，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。

1）文件格式验证

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，包括是否以魔数0xCAFEBABE开始，主次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内，常量池的常量是否有不被支持的常量类型，指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量,CONTANT_UTF8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据等；

该阶段的主要目的是保证输入的字节流能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。只有通过了该阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储。

2）元数据验证

该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，包括该类是否有父类；其父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）；若该类不是抽象类，是否实现了其父类或接口中要求实现的所有方法等。

该阶段的目标在于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。

3）字节码验证

主要目的是通过数据流和控制流分析，确保程序语义是合法的、符合逻辑的。该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，如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，例如不会出现在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中；保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上；保证方法体中的类型转换是有效的等。

一个类方法体的字节码没有通过字节码验证是有问题的，那如果一个方法体通过了字节码验证，也不能说明是安全的。

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，这个转化动作在连接的第三个阶段，解析阶段中发生。符号引用验证可以看作是对类自身以外的信息进行匹配性校验，包括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；在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名次所描述的方法和字段；符号引用中的类、字段、方法的访问行是否可被当前类访问。

符号引用验证的目的是确保解析动作能正常执行，如果无法通过符号引用验证，则将抛出一个java.lang.IncompatibleClassError异常的字类，如java.lang.IllegalAccessError,java.lang.NoSuchFieldError,java.lang.NoSuchMethodError等。

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。此时进行内存分配的仅包括类变量，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。但是特殊情况下，如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那么准备阶段变量value会被初始化为ConstantValue属性所指的值。

3.4、解析

该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：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。与虚拟机实现的内存布局无关。

直接引用：可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个能间接定位到目标的句柄。与虚拟机实现的内存布局相关。