深入理解Java虚拟机之类加载机制

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。

类型的加载、连接和初始化都是在运行期间完成的。

类加载的时机

整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。其中验证、准备、解析统称为连接。
加载、验证、准备、初始化、卸载这5部分顺序是确定的。而解析可以在初始化后执行，为了支持java的动态绑定。

加载的时机一般是交给虚拟机的具体实现来*把握的，没有名曲的规定。
但是对于初始化阶段，规定了有且只有以下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条字节指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。使用new关键字实例化对象时、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）时，以及调用一个类的静态方法时都会生成以上4条指令。
2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时，如果类没有进行初始化，则需要先触发初始化。
3. 当初始化类时，如果其父类没有初始化，则需要触发其父类初始化。
4. 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类，虚拟机会优先初始化这个类。
5. 当使用jdk1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后解析成果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokestatic的方法句柄，并且这个方法的句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要触发其初始化。

这5种情况中的行为称为对一个类进行主动引用，其余引用类不会触发初始化，称为被动引用。

接口也有初始化过程，接口与类主要区别在于：一个接口在初始化时，只有真正使用到父接口的时候才会初始化。

类加载过程

加载

在加载过程中，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的访问入口

一个非数组类的加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器完成，也可以使用用户自定义的类加载器完成。

对于数组类，略有不同，数组类本身是由java虚拟机直接创建的。而数组类的元素类型（去掉所有[]的类型）是由类加载器创建的，一个数组类创建过程遵循以下规则：

• 如果数组的组件类型（去掉一个[]后的类型）是引用类型，那就递归上文的加载过程加载组件类型，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识。
• 如果数组的组件类型不是引用类型，java虚拟机将会把数组标记为与引导类加载器关联。
• 数组类的可见性与它的组件类型可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组类的可见性默认为public

加载阶段与连接阶段的部分内容是交叉进行的。但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。

类加载器

加载过程中，第一步“通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流”放在虚拟机外部实现，实现这个动作的模块称为“类加载器”。

只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那么这两个类就必定不相等。

大部分的java程序会使用到以下3种提供的类加载器：

• 启动类加载器：负责将存放\lib目录中，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存中。用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，那直接使用null代替即可。
• 扩展类加载器：由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，负责加载\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。

• 应用程序类加载器：这个类加载器由sun.misc.Laucher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般称它为系统类加载器。可以直接使用此加载器，。

  

上图展示的类加载器之间层次关系，称为类加载器的双亲委派模型。除了最顶层的启动类加载器之外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器，一般是使用组合来复用父类加载器的。
工作流程：如果一个类加载器收到类加载的请求，它首先把请求委派给父类去完成，每一层都是这样，直到启动类加载器。只有当父类加载器无法完成加载请求时，子加载器才会自己加载。

实现过程：双亲委派的代码都集中于java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中。先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器。如果父类加载器失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载。

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。

如果验证到输入的字节流不符合Class文件格式的约束，虚拟机就会抛出一个java.lang.VerifyError异常或其子类异常。

验证阶段主要完成以下4个方面的检验动作：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

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。

该验证阶段主要是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，格式上符合一个java类型信息的要求。这阶段验证是基于二进制字节流进行的，通过这一阶段后，字节流就会进入内存的方法区中进行存储，而后面3个验证阶段是基于方法区的存储结构进行的，不会直接操作字节流。

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，以保证其描述的信息符合Java语言规范要求。

第二阶段的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。

字节码验证

此阶段为整个验证阶段最复杂的阶段，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。这个阶段是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出现危害虚拟机的行为。

即时字节码验证中进行大量验证，也不一定保证一定是安全的。这里涉及到一个著名的“Halting Problem”——不能通过程序准确地检查出程序是否能在有限时间之内结束运行。

所以jdk1.6之后进行一项优化，在方法体的Code属性的属性表中增加一项名为“StackMapTable”的属性，这项属性描述了方法体中所有的基本块开始时本地变量表和操作栈应有的状态，在字节码验证期间，就不需要根据程序推导这些状态的合法性，只需要检测StackMapTable属性中的记录是否合法即可。

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，这个转化动作将在连接的第三个阶段——解析阶段发生。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。

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，那么将抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类。

验证阶段是一个非常重要、但不一定必要的阶段。如果所运行的全部代码都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段就可以考虑使用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载时间。

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。
这里进行内存分配的只包括类变量，而不包含实例变量，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。
这里的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。
例如public static int value=888;在准备阶段过后的初始值为0。

基本数据类型的零值

如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量就会初始化为ConstantValue属性所指定的值。public static final int value=888;则在准备阶段设置为888。

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：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。是能接受的符号引用必须是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在java虚拟机规范的Class文件格式中。
• 直接引用：直接引用是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现内存布局相关，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定在内存中存在。

解析阶段发生的时间只要求了在执行anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynmatic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield和putstatic这16个用于操作符号引用的字节码之前，先对它们所使用的符号引用进行解析。

除了invokestatic之外，虚拟机会对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标识为解析状态）从而避免解析动作重复进行。如果第一次解析成功，则后续的解析请求同样成功。

对于invokestatic指令，上面的规则不成立，因为invokestatic指令的目的本来就是用于动态语言支持。必须等到程序实际运行到这条指令时候，解析动作才能进行。

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，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_ Fieldref_info 、 CONSTANT_ Methodref_info 、 CONSTANT_ InterfaceMethodref_info 、 CONSTANT_MehtodType _info 、 CONSTANT_ MethodHandle_info 和 CONSTANT_InvokeDynamic _inf。

只介绍前4种，后3种与动态语言支持息息相关，详见第八章。

类或接口的解析

假设当前代码所处类为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。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。
2. 如果C是个数组类型，并且把数组的元素类型为对象。那么会按照第一点规则加载。
3. 以上两个步骤没出现异常，那么C在虚拟机已经成为一个有效的类或接口，但在解析完成之前还需要验证符号引用，确认D是否具备对C的访问权限。如果发现不具备访问权限，将会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

字段解析

首先会对字段表中class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号进行解析。如果解析成功，那将这个字段所属的类或接口用C表示，会按照以下步骤进行搜索：

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.NoSuchFieldError异常。

如果查找成功返回了引用，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，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

如果有一个同名字段同时出现在C的接口和父类中，或者同时在自己或父类的多个接口中出现，那编译器将可能拒绝编译。

类方法解析

第一个步骤与字段解析步骤一样，解析类方法表中的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功后，用C表示这个类，会按照以下步骤进行搜索：

1. 类方法和接口方法符合引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现了class_index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中查找是否含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实现的接口列表及它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是个抽象类，这时查找结束，抛出java.lang.AbsractMethodError异常。
5. 否则，宣布失败，抛出java.lang.NoSuchMethodErroe异常

最后，如果查找成功返回了直接引用，将对这个方法进行权限验证，如果不具备此权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

接口方法解析

解析接口方法表的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，用C表示此接口，接着按以下步骤进行搜索：

1. 如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类不是接口，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的父接口中递归查找，直到java.lang.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，宣告失败，抛出java.lang.NoSuchMethodErroe异常

初始化

初始化为类加载过程的最后一步，此阶段，才开始真正执行类中定义的java程序代码。
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，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现顺序的顺序决定。静态语句块只能访问定义在块之前的变量，定义在块后变量可以赋值，但不能访问。
• <clinit>()方法与类的构造函数不同，它不需要显示地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此虚拟机中java.lang.Object类为第一个执行<clinit>()方法。
• 由于父类的<clinit>()方法先执行，意味着父类中定义的静态语句块要优于子类变量赋值操作。
• <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块，也没有对变量赋值操作，编译器可以不产生<clinit>()方法。
• 接口中没有静态语句块，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。但是接口与类不同的是，当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。
• 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境被正确地加锁、同步，如果多线程同时去初始化一个类，那只有一个线程去执行<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等等，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法耗时很长操作，就会造成多个进程阻塞。

参考自《深入理解Java虚拟机》