JVM类加载机制
2016-12-12 10:51
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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、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
从类被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，类的生命周期包括加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段
其中验证、准备和解析三部分称为连接，在Java语言中，类型的加载和连接过程都是在程序运行期间完成的（Java可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载、动态连接这个特点实现的），这样会在类加载时稍微增加一些性能开销，但是却为Java应用程序提供高度的灵活性
类加载的时机
加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是固定的（即：加载阶段必须在验证阶段开始之前开始，验证阶段必须在准备阶段开始之前开始等。这些阶段都是互相交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段的执行过程中调用或激活另一个阶段），解析阶段则不一定，在某些情况下，解析阶段有可能在初始化阶段结束后开始，以支持Java的动态绑定。但是对初始化阶段，虚拟机规范严格限制了有且只有5种情况必须立即对类进行初始化（加载、验证、准备自然需要在此之前）：
（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，则需要触发其初始化。常见的场景有：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，如果类没有被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被初始化，则需要先触发其父类的初始化。
（4）当虚拟机启动的时候，用户需要指定一个要执行的主类，虚拟机会先初始化这个主类。
（5）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，且其对应的类没有初始化，则先要触发其初始化。
这五种场景被称为对一个类的主动引用，除此之外所有引用类的方式都不会触发其初始化，被称为被动引用，比如：通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化；通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化；常量在编译时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的类的初始化。
接口与类不同的地方在于第（3）点：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候才会初始化。
加载
在加载阶段虚拟机需要完成以下三件事：
（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
注意：对于数组类而言情况有些不同，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。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型最终是要由类加载器去创建。
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。
从整体来看验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验工作：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。该验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确的解析并存储于方法区之内，格式上符合描述一个JAVA类型信息的要求。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，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，所以后面三个阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。
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。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。
3.字节码验证
第三阶段是整个验证过程最复杂的一个阶段，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、符合逻辑的。这个阶段将对类的方法体进行检验分析，保证被检验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事情。
注意：如果一个类的字节码没有通过字节码验证，那肯定是有问题的；但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。
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。对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要的阶段。
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。这个阶段中有两个容易混淆的概念需要强调一下，首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量，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。
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，主要分为类或接口的解析，字段解析，类方法解析，接口方法解析。
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程序可以通过自定义类加载器参与之外，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。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从另外的一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>（）方法的过程。
从类被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，类的生命周期包括加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段
其中验证、准备和解析三部分称为连接，在Java语言中，类型的加载和连接过程都是在程序运行期间完成的（Java可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载、动态连接这个特点实现的），这样会在类加载时稍微增加一些性能开销，但是却为Java应用程序提供高度的灵活性
类加载的时机
加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是固定的（即：加载阶段必须在验证阶段开始之前开始，验证阶段必须在准备阶段开始之前开始等。这些阶段都是互相交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段的执行过程中调用或激活另一个阶段），解析阶段则不一定，在某些情况下，解析阶段有可能在初始化阶段结束后开始，以支持Java的动态绑定。但是对初始化阶段，虚拟机规范严格限制了有且只有5种情况必须立即对类进行初始化（加载、验证、准备自然需要在此之前）：
（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，则需要触发其初始化。常见的场景有：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，如果类没有被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被初始化，则需要先触发其父类的初始化。
（4）当虚拟机启动的时候，用户需要指定一个要执行的主类，虚拟机会先初始化这个主类。
（5）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，且其对应的类没有初始化，则先要触发其初始化。
这五种场景被称为对一个类的主动引用，除此之外所有引用类的方式都不会触发其初始化，被称为被动引用，比如：通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化；通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化；常量在编译时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的类的初始化。
接口与类不同的地方在于第（3）点：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候才会初始化。
加载
在加载阶段虚拟机需要完成以下三件事：
（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
注意：对于数组类而言情况有些不同，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。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型最终是要由类加载器去创建。
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。
从整体来看验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验工作：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。该验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确的解析并存储于方法区之内，格式上符合描述一个JAVA类型信息的要求。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，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，所以后面三个阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。
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。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。
3.字节码验证
第三阶段是整个验证过程最复杂的一个阶段，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、符合逻辑的。这个阶段将对类的方法体进行检验分析，保证被检验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事情。
注意：如果一个类的字节码没有通过字节码验证，那肯定是有问题的；但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。
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。对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要的阶段。
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。这个阶段中有两个容易混淆的概念需要强调一下，首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量，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。
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，主要分为类或接口的解析，字段解析，类方法解析，接口方法解析。
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程序可以通过自定义类加载器参与之外，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。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从另外的一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>（）方法的过程。
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