Java虚拟机(五)--类加载机制

一 类的加载过程

    1 加载

        1)通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制流

        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

    在加载过程中,一个非数组的类可以使用系统提供的引导类加载器加载,也可以使用用户自定义的类加载器加载。而数组类本身不通过类加载器创建,它有Java虚拟机直接创建,但数组类中的元素类型最终是要靠类加载器去创建。

        数组C创建过程遵循以下的规则

        1)如果数组的组件类型是引用类型,那就递归加载这个组件类型,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

        2)如果数组的组件类型不是引用类型(例如int[]数组),Java虚拟机将把数组C标记为与引导类加载器关联

        3)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

    2 验证

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        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,并且不危害虚拟机的自身安全

        验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作

        1)文件格式验证

                这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,这阶段的验证是基于二进制字节流的。只有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,所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的,不会在直接操作字节流。

        2)元数据验证

                这阶段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

        3)字节码验证

                这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,是对类的方法体进行校验分析。由于数据流验证的高复杂性,为了避免在这阶段消耗过的时间。JDK1.6之后给方法体的Code属性的属性表中增加了一项名为“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,只需要检查StackMapTable属性中的记录是否合法即可。这样将字节码验证的类型推导转变为类型检查,JDK1.7后使用类型检查来完成数据流分析校验则是唯一选择。

        4)符号引用验证

                这个阶段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阶段--解析阶段

    3 准备

        准备阶段时正式为类变量(被static修饰的变量)分配内存并设置类标量初始值的阶段,这些标量所使用的内存都将在方法区中进行分配。  

    4 解析

        解析阶段时虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程

        1)符号引用:

            符号引用以一组符号来描述所有引用的目标,符号可以时任何形式的字面量,只要使用时能无歧义的定位到目标即可,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

        2)直接引用:

            直接引用可以时直接指向目标的指针,相对偏移量或时一个能间接定位到目标的句柄,直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的,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

    5 初始化

        初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程

        1)<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,在前面的静态语句块可以赋值,但是不能访问。

        2)<clinit>()方法与类的构造函数(或者说实例构造器<init>()方法)不同,它不需要显式地调用父类构造器,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。因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。

        3)由于父类的<clinit>()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

        4)<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,也没有对变量的赋值操作,那么编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法

        5)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

<clinit>()方法。但接口与类不同的是,执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()方法。只有当父接口中定义的变量使用时,父接口才会初始化。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”(而加载、验证、准备自然需要在此之前开始):
    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。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(被final修饰、已在编译期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。
    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。              


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