3 虚拟机类加载机制

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，类型的加载、连接和初始化，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。

1 概述

虚拟机把描述类的数据从Class文件中加载到内存，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

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（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Pesolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接（Linking），这7个阶段的发生顺序如图7-1 所示：

![图7-1 类的生命周期](/images/jvm/图7-1 类的生命周期.png)

这7个阶段中的：加载、验证、准备、初始化、卸载的顺序是固定的。但它们并不一定是严格同步串行执行，它们之间可能会有交叉，但总是以“开始”的顺序总是按部就班的。至于解析则有可能在初始化之后才开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。

对于加载阶段（注意加载和类加载概念，加载是类加载过程的第一个阶段）JVM并没有对此约束，而是交由虚拟机的具体实现。但对于初始化，虚拟机规范则做了严格的规定，初始化可能也是对我们实际编程运用当中非常值得注意的问题。

虚拟机对于类的初始化阶段严格规定了有且仅有只有5种情况如果对类没有进行过初始化，则必须对类进行“初始化”！

遇到new、读取一个类的静态字段（getstatic）、设置一个类的静态字段（putstatic）、调用一个类的静态方法（invokestatic）。
使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时。
当类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。（如果是接口，则不必触发其父类初始化）
当虚拟机执行一个main方法时，会首先初始化main所在的这个主类。
当只用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，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。（暂未研究此种场景）

上面5种场景是有且仅有，称之为“主动引用”，只有满足上述5种场景之一，就会触发对类进行初始化。其余都不会触发类初始化，称之为“被动引用”。

下面列举3个例子来说明何为“被动引用”：

public class SuperClass {
    static {
        System.out.println("SuperClass.init");
    }
    public static int value = 123;
}

public class SubClass extends SuperClass{
    static {
        System.out.println("SubClass init");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}

输出结果：

1 2	SuperClass.init 123

我们看到虽然我们是通过子类来调用的父类静态字段，但从结果可以看到并没有初始化子类，而是初始化了父类，这即是“被动引用”。对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。

被动引用——例2

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
    }
}

我们还是利用例1的SuperClass来创建一个数组，这个应该都知道，在创建数组时并不会初始化，在编程不注意的时候可能常常因为没有初始化数组导致空指针的情况。它仅仅做了创建一个大小为10的数组。

被动引用——例3

public class ConstClass {
    static {
         System.out.println("ConstClass init!");
     }

    public static final String HELLO = "hello";
}


public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstClass.HELLO);
    }
}

这个例子的输出会初始化ConstClass类吗？

答案是并不会。这是因为常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类。进一步解释，虽然在main方法中引用了ConstClass类中的常量HELLO，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值“hello”存储到了Main类的常量池中，之后对ConstClass.HELLO的引用实际上都被转化为Main类对自身常量池的引用。也就是说，两个类在编译过后实际上不存在任何联系了。

接口的加载过程与类加载过程稍有一些不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口也有初始化过程，这点与类是一致的，上面的代码都是用静态语句块“static{}”来输出初始化信息的，而接口中不能使用“static{}”语句块，但编译器仍然会为接口生成“”类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类真正有所区别的是前面讲述的5种“有且仅有”需要开始初始化场景中的第三种：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父类接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

3 类加载的过程

Java虚拟机中类加载的全过程，也就是加载、验证、准备、解析和初始化这5个阶段所执行的具体动作。

3.1 加载

“加载” 是 “类加载” 过程的一个阶段，切不可将二者混淆。

加载阶段由三个基本动作组成：

通过类型的完全限定名，产生一个代表该类型的二进制数据流（根本没有指明从哪里获取、怎样获取，可以说一个非常开放的平台了）
将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区内的运行时数据结构
创建一个表示该类型的java.lang.Class类的实例，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

通过类型的完全限定名，产生一个代表该类型的二进制数据流的几种常见形式：

从zip包中读取，成为日后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，这种场景最常用的就是动态代理技术了；
由其他文件生成，比如我们的JSP；

对于数组类而言，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，但是数组类的元素类型（Element Type，是指数组去掉所有维度的类型）最终要靠类加载器去创建，一个数组类（简称为C）创建过程要遵循以下规则：

如果数组的组件类型（Component Type，指的是数组去掉一个维度的类型）是引用类型，则递归地加载这个组件类型，数组C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（例如int[]数组），则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的组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组类的可见性将默认为public。

注意： 非数组类加载阶段既可以使用系统提供的类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成。（即重写一个类加载器的loadClass（）方法）

3.2 验证

验证是连接阶段的第一步，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java.lang.VerifyError异常或其子类异常。

验证阶段大致分下面4个动作：

3.2.1 文件格式验证

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。

魔数是否以0xCAFEBABE开头
主，次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内
常量池的常量中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
CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据
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

……

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。后面就会基于方法区的存储结构进行验证不直接操作字节流了。

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，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：

类是否有父类(除了java.lang.Object外，所有类都应当有父类)
类的父类是否继承了不允许被继承的类（final修饰的类）
如果类不是抽象类，是否实现了器父类或接口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(如：覆盖了父类的final字段)

……

3.2.3 字节码验证

字节码验证是整个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。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，不会出现例如：在操作栈放置了一个int类型，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

……

由于数据流校验的高复杂性，耗时较大，所以JDK1.6之后，在Javac中引入一项优化方法（可以通过参数关闭）：在方法体的Code属性的属性表中增加一项“StackMapTable”属性，该属性描述了方法体中所有基本块开始时本地变量表和操作栈应有的状态，从而将字节码验证的类型推导转变为类型检查从而节省一些时间。

注意： 如果一个方法体通过了字节码验证，也不能说明其一定是安全的，因为校验程序逻辑无法做到绝对精确。

3.2.4 符号引用验证

在虚拟机将符号引用转化为直接引用时发生，转化动作在–解析阶段发生。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

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（private,protected,public,default）是否可被当前类访问。

符号引用验证的目的就是确保解析动作能正常执行，如果无法通过就会抛出异常，java.lang.NoSuchMethodError

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。（备注：这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）。

初始值通常是数据类型的零值：

对于：public static int value = 123;，那么变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，这时候尚未开始执行任何java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器()方法中，所以把value赋值为123动作将在初始化阶段才会被执行。表7-1列出了Java中所有基本数据类型的零值。

![表7-1 基本数据类型的零值](/images/jvm/表7-1 基本数据类型的零值.png)

一些特殊情况：

对于：public static final int value = 123;编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据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，在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldred_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现，下面先介绍解析阶段中所说的直接引用与符号引用有什么关联

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，引用的目标并不一定已经加载到内存中。符号引用的字面量形式已经明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。
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能间接定位到目标的句柄。直接引用与虚拟机实现的内存布局相关，同一个符号引用在不用虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

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，分别对应常量池中CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldred_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethoderf_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_InvokeDynamic_info、7种常量类型。下面将讲解前面4种引用的解析过程，对于后面3种与JDK1.7新增的动态语言支持息息相关。

3.4.1 类或接口的解析

假设当前的代码所处的类为D，如果要把一个从未解析过侧符号引用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的过程需要以下3个步骤：

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。
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”的形式，那将会按照第1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
如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟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。如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

3.4.2 字段解析

要解析一个未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。

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
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。
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。
否则，查找失败，抛出java.lang.NuSuchFieldError异常。

如果查找过程成功返回了引用，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

3.4.3 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

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。
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。
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。
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是一个抽象类，这时查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
否则，宣告方法查找失败，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，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

3.4.4 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的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。

与类方法解析不同，如果在接口方发表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口，那就抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常
否则，在街口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。
否则，在街口C的符接口中递归查找，直到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。
否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常

由于接口中所有的方法默认都是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.IllegaAccessError异常

3.5 初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面类的加载过程中，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。

准备阶段，变量会赋一次初始值，在初始化阶段，会根据程序员的计划去初始化类变量和其他资源。即执行类构造器()方法的过程。

()方法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{})中的语句合并产生。执行顺序就是源文件中语句的顺序。定义在静态语句块后的变量，静态语句块可以赋值但不能访问。如：

public class TestClass {
 
	static {
		i = 0;// 可以正常编译通过
		// System.out.println(i);报错
	}
	static int i = 1;
 
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(i);// 1
	}
}

()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()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的()方法的类肯定是java.lang.Object
由于父类的()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。
()方法对于类或接口不是必需的，如果一个类没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成()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()方法。但接口与类不同的是，执行接口的()方法不需要先执行父接口的()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。

虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁，同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行()方法完毕。如果在一个类的()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞是很隐蔽的。

public class DeadLoopClass {
	static {
		if (true) {// 不加if语句，编译器提示错误
			System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
			while (true) {
			}
		}
	}
}

public static void main(String[] args) {
		Runnable script = new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				System.out.println(Thread.currentThread() + "start");
				DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();
				System.out.println(Thread.currentThread() + "run over");
			}
		};
		Thread thread1 = new Thread(script);
		Thread thread2 = new Thread(script);
		thread1.start();
		thread2.start();
	}

执行结果: 即一条线程在死循环模拟长时间操作,另外一条线程在阻塞等待

1
2
3

Thread[Thread-0,5,main]start
Thread[Thread-1,5,main]start
Thread[Thread-0,5,main]init DeadLoopClass