Java虚拟机之类加载机制详解（一）

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。

在Java中，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，这种策略虽然会令类加载时稍微增加一点性能开销，但是会为Java应用程序提供高度的灵活性。

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、使用和卸载7个阶段，其中验证、准备、解析3个阶段统称为连接，这7个阶段的发生顺序如下图所示：

类的生命周期

加载

“加载”只是“类加载”过程的一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；
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；
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。该Class类对象没有明确规定是在Java堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里面。

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。

验证

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的安全。

验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检验动作：

1、文件格式验证

验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能够被当前版本的虚拟机处理，例如：

是否以魔术0xCAFEBABE开头；
主、次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内；
常量池的常量是否有不被支持的类型；

2、元数据验证

验证字节码的描述信息，保证其描述的信息系符合Java语言规范的要求，例如：

这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应该有父类）；
这个类是否继承了不允许继承的类（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中要求实现的所有方法；

3、字节码验证

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，例如：

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；

4、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，例如：

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；
符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可以被当前类访问；

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。

在准备阶段要注意以下两点

这时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；
变量的初始值在“通常情况”下是数据类型的零值，例如：

public static int value = 123;

那类变量value在准备阶段过后的值为0，而不是123。

但也会有一些“特殊情况”，若类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，例如：

public static final int value = 123;

编译时Javac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。

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，符号引用和直接引用的关联如下：

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，引用的目标不一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以不同，但是它们能够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

直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能简介定位到目标的句柄，直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同虚拟机上翻译出来的直接引用一般会不相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

初始化

初始化是类加载过程的最后一步，此阶段根据程序员编写的程序制定的计划去初始化类变量和其他资源，或者可以说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，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，在前面的语句块可以赋值，但是不能访问。如下述代码：

public class Test {
    static {
        i = 0;  // 给变量赋值可以正常编译通过
        System.out.println(i);  // 这句编译器会提示“非法向前引用”
    }

    static int i = 1;
}

<clinit>()方法与类的构造函数（或者说实例构造器<init>()方法）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。
由于父类的<clinit>()方法先执行，所以父类的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。如下述代码，输出的值为2而不是1：

static class Parent {
    public static int A = 1;

    static {
        A = 2;
    }
}

static class Sub extends Parent {
    public static int B = A;
}

public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Sub.B);
}

<clinit>()方法对于类或者接口来说不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，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<clinit>()方法。
接口中不能有静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口也会生成<clinit>()方法，与普通类不同的是，执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()方法，只有当父接口的变量使用时，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被正确的加载、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<clinit>()方法，其它线程都需要阻塞等待。

虚拟机规范严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行初始化（而加载、验证、准备要在此之前开始）：

遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这4条字节码指令时，若类没有进行初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的场景是：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、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
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。
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初始化。
当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（即包含main()方法的类），虚拟机会先初始化这个类。
当使用JDK 1.7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是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。

除了上述5中场景之外，其他所有引用类的方式都不会触发初始化，被称为被动引用。被动引用的示例代码如下：

package passiveLoading;

public class PassiveLoadingTest {
	static class SuperClass {
		static {
			System.out.println("SuperClass init");
		}
		
		public static int value  = 1;
	}
	
	static class SubClass extends SuperClass {
		static {
			System.out.println("SubClass init");
		}
	}
	
	static class ConstantClass {
		static {
			System.out.println("ConstantClass init");
		}
		
		public static final String HELLO_WORLD = "hello world";
	}

	public static void main(String[] args) {
		// 场景1：下面这一行代码输出了SuperClass init，而没有输出SubClass init
		System.out.println(SubClass.value);
		// 场景2：通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化
		SuperClass[] superClasses = new SuperClass[10];
		// 场景3：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，因此不会触发定义常量类的初始化
		// 下面这一行代码只会输出hello world
		System.out.println(ConstantClass.HELLO_WORLD);
	}
}

场景1

没有输出SubClass init，对于静态字段，只有直接定义了这个字段的类才会被初始化，因此通过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。

场景2

没有输出SuperClass init，说明没有触发passiveLoading.PassiveLoadingTest$SuperClass类的初始化，但是该段代码触发了另外一个名为LpassiveLoading.PassiveLoadingTest$SuperClass类的初始化，该类是由虚拟机自动生成的、直接继承Object的子类，创建动作由newarray触发。

该类代表了一个元素类型为passiveLoading.PassiveLoadingTest$SuperClass的一维数组，数组中应有的属性和方法（length属性和clone()方法）都实现在这个类中。

场景3

没有输出ConstantClass init，因为虽然在代码中引用了ConstantClass类的常量HELLO_WORLD，但是在编译阶段，通过常量的传播优化，已经将次常量的值“hello world”存储到了PassiveLoadingTest类的常量池中，以后PassiveLoadingTest类对ConstantClass.HELLO_WORLD的引用都转化为了PassiveLoadingTest类对自身常量池的引用。

关于Java虚拟机双亲委派模型的实现解析，可以看这一篇博客。

参考资料

周志明：《深入理解Java虚拟机》