Java虚拟机类加载机制---深入理解Java虚拟机

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。
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，这种策略虽然会令类加载是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再指定其实际的实现类；用户可以通过Java预定义和自定义类加载器，让一个本地的应用程序可以在运行时从网络或其他地方加载一个二进制流作为程序代码的一部分，这种组装应用程序的方式目前已广泛应用于Java程序之中。

类加载时机

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存位置，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个部分同称为连接。

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按部就班地开始，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。这里写的是开始，而不是按部就班地“进行”或“完成”，强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行的。

Java虚拟机规范中并没有进行强制约束什么时候开始类加载的第一个阶段：加载。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中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完成）：

1、遇到new,getstatic,putstatic 或 invokestatic 这4条字节码指令，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 代码常见是；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，已经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，则需要先初始化其父类的初始化。
4、当虚拟机启动时，用户需要制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。并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

类加载的过程

加载

加载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

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。

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。

从整体上看，验证阶段大致上会完成以下4个阶段的校验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证
1、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。这一阶段可能包括下面这些验证点：
是否已魔数开头
主次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内
常量池中的常量是否有不被支持的常量类型
CONSTANT_utf8_info型常量中是否有不符合utf8编码的数据

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：
这个类是否有父类
这个类的父类是否继承了不允许被继承的类
如果这个类不是抽象类，是否实现了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

3、字节码验证
第三阶段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，确定语义是合法的、符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这个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情。
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，例如不会出现类似在操作栈中放置一个Int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量
保证跳转指令不会跳转到方法体外的字节码指令上
保证方法体中的类型转换时有效的

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，这个转化动作将在连接的第三阶段-解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外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够找到对应的类
在指定类中是否存在符合方法的字段描述符已经简单名称所描述的方法和字段
符号引用中的类、字段、方法的访问性是否被当前类访问

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得阶段，这些变量所使用的内存将在方法区中进行分配。这个阶段有连个容易产生混淆的概念。首先，这个时候进行内存分配的仅包括类变量，而不包括实例变量。其次这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。

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了，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内存布局无关，引用的目标并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各不相同，但是他们能接受的符号引用必须都是一致的，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文件中。

直接引用：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对便宜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的内存布局相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用城区可以通过自定义加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。
在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者可以从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

()方法时有编译器自动手机类中的所有类变量的复制动作和静态语句块（static{}）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是有语句在原文件中出现的顺序所决定的，静态语句中只能访问到定义在静态语句块之中的变量，定义在它只有的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问。

()方法与类的构造器不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕。

由于父类()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。

()对于类或接口来说并不是必须的，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()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，因此接口与类一样会生成()方法。但接口与类不同的是，执行接口()方法不需要显执行父类接口的()方法。只有当父接口中定义的变量使用时，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。