JVM解析——類加載

本系列主要記錄筆者在學(xué)習(xí) [深入理解Java虛擬機(jī)] 一書時(shí)的理解
我們都知道在Java中，我們并不需要過多的在意內(nèi)存的管理，這一切都交給了虛擬機(jī)自動管理，我們并不需要操心何時(shí)需要去釋放一個(gè)對象的內(nèi)存。
當(dāng)然，如果出現(xiàn)了內(nèi)存溢出或泄漏，我們就必須去了解一下Java虛擬機(jī)的內(nèi)存管理機(jī)制以便于我們解決問題
[筆者仍為Android初學(xué)者。如有解釋錯誤的地方，歡迎評論區(qū)指正探討]

本篇為該系列第五篇，深入了解Jvm的類加載機(jī)制。

類加載

虛擬機(jī)把描述類的數(shù)據(jù)從Class文件加載到內(nèi)存，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機(jī)直接使用的Java類型，這就是虛擬機(jī)的類加載機(jī)制。

類加載的過程

類從被加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中開始，到卸載出內(nèi)存為止，它的整個(gè)生命周期包括：加載（Loading）、驗(yàn)證（Verification）、準(zhǔn)備（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸載（Unloading）7個(gè)階段。其中驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析3個(gè)部分統(tǒng)稱為連接（Linking）。

類加載流程

在整個(gè)過程中，加載，驗(yàn)證，準(zhǔn)備，初始化和卸載這五個(gè)步驟的開始順序是固定這樣的。而解析則不一定，他在某些情況下可以在初始化階段之后再開始，這是為了支持Java語言的運(yùn)行時(shí)綁定。
PS：這里的順序指的是開始順序，而不是進(jìn)行或完成，是因?yàn)檫@些階段通常都是互相交叉地混合式進(jìn)行的，通常會在一個(gè)階段執(zhí)行的過程中調(diào)用、激活另外一個(gè)階段。

Java虛擬機(jī)規(guī)范中并沒有進(jìn)行強(qiáng)制約束什么情況下需要開始第一個(gè)階段加載，這部分可以交由各個(gè)虛擬機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)控制，而對于初始化階段則不同，虛擬機(jī)規(guī)范則是嚴(yán)格規(guī)定了有且只有5種情況必須立即對類進(jìn)行“初始化”（而加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備自然需要在此之前開始）：

  1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic這4條字節(jié)碼指令時(shí)，如果類沒有進(jìn)行過初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。生成這4條指令的最常見的Java代碼場景是：使用new關(guān)鍵字實(shí)例化對象的時(shí)候、讀取或設(shè)置一個(gè)類的靜態(tài)字段（被final修飾、已在編譯期把結(jié)果放入常量池的靜態(tài)字段除外）的時(shí)候，以及調(diào)用一個(gè)類的靜態(tài)方法的時(shí)候。
  2. 使用java.lang.reflect包的方法對類進(jìn)行反射調(diào)用的時(shí)候，如果類沒有進(jìn)行過初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。
  3. 當(dāng)初始化一個(gè)類的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)其父類還沒有進(jìn)行過初始化，則需要先觸發(fā)其父類的初始化。
  4. 當(dāng)虛擬機(jī)啟動時(shí)，用戶需要指定一個(gè)要執(zhí)行的主類（包含main（）方法的那個(gè)類），虛擬機(jī)會先初始化這個(gè)主類。
  5. 當(dāng)使用JDK 1.7的動態(tài)語言支持時(shí)，如果一個(gè)java.lang.invoke.MethodHandle實(shí)例最后的解析結(jié)果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且這個(gè)方法句柄所對應(yīng)的類沒有進(jìn)行過初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。

這5種場景中的行為稱為對一個(gè)類進(jìn)行主動引用。除此之外，所有引用類的方式都不會觸發(fā)初始化，稱為被動引用。
列舉一些被動引用的例子：

/**
*通過子類引用父類的靜態(tài)字段，不會導(dǎo)致子類初始化
**/
public class SuperClass{
    public static int value=123；
    static{
        System.out.println（"SuperClass init！"）；
    }
}

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

/**
*非主動使用類字段演示
**/
public class MainClass {
    public static void main（String[]args）{
        System.out.println（SubClass.value）；
    }
}

在HotSpot虛擬機(jī)的默認(rèn)情況下：
上述代碼運(yùn)行之后，只會輸出“SuperClass init！”，而不會輸出“SubClass init！”。
對于靜態(tài)字段，只有直接定義這個(gè)字段的類才會被初始化，因此通過其子類來引用父類中定義的靜態(tài)字段，只會觸發(fā)父類的初始化而不會觸發(fā)子類的初始化。

/**
*通過數(shù)組定義來引用類，不會觸發(fā)此類的初始化
**/
public class SuperClass{
    static{
        System.out.println（"SuperClass init！"）；
    }
}

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

通過數(shù)組定義來引用類，并不會觸發(fā)此類的初始化，當(dāng)卻會觸發(fā)另一個(gè)名為[LpackageName.SuperClass的初始化，有沒有覺得個(gè)類很熟悉，這不就是我們直接打印一個(gè)數(shù)組時(shí)出來的東西嗎？它是一個(gè)由虛擬機(jī)自動生成的、直接繼承于java.lang.Object的子類，創(chuàng)建動作由字節(jié)碼指令newarray觸發(fā)。這個(gè)類代表了一個(gè)元素類型為SuperClass的一維數(shù)組，數(shù)組中應(yīng)有的屬性和方法（用戶可直接使用的只有被修飾為public的length屬性和clone（）方法）都實(shí)現(xiàn)在這個(gè)類里。Java語言中對數(shù)組的訪問比C/C++相對安全是因?yàn)檫@個(gè)類封裝了數(shù)組元素的訪問方法。

/**
*被動使用類字段演示三：
*常量在編譯階段會存入調(diào)用類的常量池中，本質(zhì)上并沒有直接引用到定義常量的類，因此不會觸發(fā)定義常量的類的初始化。
**/
public class ConstClass {
    public static final String HELLOWORLD="hello world"；
    static{
        System.out.println（"ConstClass init！"）；
    }
}

/**
*非主動使用類字段演示
**/
public class MainClass {
    public static void main（String[]args）{
        System.out.println（ConstClass.HELLOWORLD）；
    }
}

上述代碼運(yùn)行之后，也沒有輸出“ConstClass init！”，這是因?yàn)殡m然在Java源碼中引用了ConstClass類中的常量HELLOWORLD，但其實(shí)在編譯階段通過常量傳播優(yōu)化，已經(jīng)將此常量的值“hello world”存儲到了MainClass類的常量池中，以后MainClass對常量ConstClass.HELLOWORLD的引用實(shí)際都被轉(zhuǎn)化為MainClass類對自身常量池的引用了。

接口的加載和類加載大致相同，一個(gè)比較大的區(qū)別在于，類加載要求父類都加載過才可加載子類，而接口并不需要父接口都加載過，只有在真正使用到父接口的時(shí)候（如引用接口中定義的常量）才會初始化。

大致了解完類加載的流程順序之后，我們來逐步了解每一步都做了什么。

加載

加載，是類加載的第一個(gè)過程，在加載階段，虛擬機(jī)會完成一下3件事情：

  1. 通過類的全限定名來獲取定義此類的的二進(jìn)制字節(jié)流。
  2. 將這個(gè)字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)存儲結(jié)構(gòu)
  3. 在內(nèi)存中生成一個(gè)代表這個(gè)類的Class對象，作為方法區(qū)這個(gè)類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口。

對于開發(fā)人員來說，這一步驟是相當(dāng)自由，虛擬機(jī)只限制了要通過一個(gè)類的全限定名來獲取此類的二進(jìn)制字節(jié)流，并沒有限制，這部分流應(yīng)該從哪獲取。

對于一個(gè)非數(shù)組類的加載階段，開發(fā)人員即可以使用系統(tǒng)提供的類加載器去完成，也可以自定義一個(gè)類加載器去完成，（重寫一個(gè)加載的loadClass方法）。也就是說我們可以自己解析各種類型的文件或者其他數(shù)據(jù)來獲取一個(gè)類。
類加載器這部分將在后面的篇章講解。

而對于數(shù)組類（指的是[LPackageName.YourClass，而不是數(shù)組中的元素），則有所不同，因?yàn)閿?shù)組類本身不通過類加載器構(gòu)建，他是由虛擬機(jī)直接創(chuàng)建。
PS：數(shù)組的元素最終還是會通過類加載器加載。

加載階段完成之后，虛擬機(jī)外部的二進(jìn)制字節(jié)流就按照虛擬機(jī)所需的格式存儲在方法區(qū)之中。然后在內(nèi)存中實(shí)例化一個(gè)java.lang.Class類的對象（在HotSpot虛擬機(jī)中，這個(gè)對象存放在方法區(qū)），作為程序訪問方法區(qū)中的這些類型數(shù)據(jù)的外部接口。

加載階段與連接階段的部分內(nèi)容（如一部分字節(jié)碼文件格式驗(yàn)證動作）是交叉進(jìn)行的，加載階段尚未完成，連接階段可能已經(jīng)開始，但這些夾在加載階段之中進(jìn)行的動作，仍然屬于連接階段的內(nèi)容，這兩個(gè)階段的開始時(shí)間仍然保持著固定的先后順序。

驗(yàn)證

驗(yàn)證是連接階段的第一步，這一階段的目的是為了確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并且不會危害虛擬機(jī)自身的安全。

我們前面提到，加載的時(shí)候，可以構(gòu)建自定義的類加載器，從指定的數(shù)據(jù)源中獲取一個(gè)類，那么就存在一定的問題，我們完全可以無視Java語言層的語法，自己生成class文件，實(shí)現(xiàn)Java語法不允許的操作，很可能會因?yàn)檩d入了有害的字節(jié)流而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，所以驗(yàn)證是虛擬機(jī)對自身保護(hù)的一項(xiàng)重要工作。

驗(yàn)證階段十分重要，需要檢驗(yàn)的東西也很多，但從整體上看，驗(yàn)證階段大致上會完成下面4個(gè)階段的檢驗(yàn)動作：文件格式驗(yàn)證、元數(shù)據(jù)驗(yàn)證、字節(jié)碼驗(yàn)證、符號引用驗(yàn)證。

  1. 文件格式驗(yàn)證
    這一階段要驗(yàn)證字節(jié)流是否符合Class文件格式的規(guī)范，主要基于二進(jìn)制文件流進(jìn)行，該階段的主要目的是保證輸入的字節(jié)流能正確的解析并存儲于方法區(qū)內(nèi)。只有過了這個(gè)階段的檢驗(yàn)，字節(jié)流才會進(jìn)行內(nèi)存的方法區(qū)中進(jìn)行存儲。而后的三個(gè)檢驗(yàn)都是基于方法區(qū)的存儲結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，不會再操作字節(jié)流。
  2. 元數(shù)據(jù)驗(yàn)證
    第二階段是對字節(jié)碼描述的信息進(jìn)行語義分析，以保證其描述的信息符合Java語言規(guī)范的要求。的主要目的是對類的元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行語義校驗(yàn)，保證不存在不符合Java語言規(guī)范的元數(shù)據(jù)信息。
  3. 字節(jié)碼驗(yàn)證
    第三階段是整個(gè)驗(yàn)證過程中最復(fù)雜的一個(gè)階段，主要目的是通過數(shù)據(jù)流和控制流分析，確定程序語義是合法的、符合邏輯的。在第二階段對元數(shù)據(jù)信息中的數(shù)據(jù)類型做完校驗(yàn)后，這個(gè)階段將對類的方法體進(jìn)行校驗(yàn)分析，保證被校驗(yàn)類的方法在運(yùn)行時(shí)不會做出危害虛擬機(jī)安全的事件，譬如在操作棧放置了一個(gè)int類型的數(shù)據(jù)，使用時(shí)卻按long類型來加載入本地變量表中。這顯然是危險(xiǎn)的。
  4. 符號引用驗(yàn)證
    最后一個(gè)階段的校驗(yàn)發(fā)生在虛擬機(jī)將符號引用轉(zhuǎn)化為直接引用的時(shí)候，這個(gè)轉(zhuǎn)化動作將在連接的第三階段——解析階段中發(fā)生。符號引用驗(yàn)證可以看做是對類自身以外（常量池中的各種符號引用）的信息進(jìn)行匹配性校驗(yàn)，確保了解析動作能夠正常執(zhí)行，否則將有可能出現(xiàn)根據(jù)符號引用無法找到對應(yīng)類的情況。

準(zhǔn)備

準(zhǔn)備階段是正式為類變量分配內(nèi)存并設(shè)置類變量初始值的階段，這些變量所使用的內(nèi)存都將在方法區(qū)中進(jìn)行分配。
PS：這里提到的是類變量，指的是靜態(tài)變量，而普通變量并不會在這一階段賦值。而且這里提到的初始值，值得是零值，具體設(shè)置的值將在初始化階段設(shè)置。

特殊的是，如果這是個(gè)靜態(tài)常量，那么就不是直接賦予零值，而是直接設(shè)置具體的值。

解析

解析是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號引用替換為直接引用的過程。

  • 符號引用指的是以一組符號來描述所引用的目標(biāo)，符號可以是任何形式的字面量，只要使用時(shí)能無歧義地定位到目標(biāo)即可。
  • 直接引用可以是直接指向目標(biāo)的指針、相對偏移量或是一個(gè)能間接定位到目標(biāo)的句柄。

前面已經(jīng)提到，解析階段可以先執(zhí)行也可以慢執(zhí)行，所以虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)可
以根據(jù)需要來判斷到底是在類被加載器加載時(shí)就對常量池中的符號引用進(jìn)行解析，還是等到一個(gè)符號引用將要被使用前才去解析它。

對于一個(gè)符號引用進(jìn)行多次解析是很正常的事情，所以虛擬機(jī)會對第一次的解析結(jié)果進(jìn)行緩存，如果一個(gè)符號引用之前已經(jīng)被成功解析過，那么后續(xù)的引用解析請求就應(yīng)當(dāng)一直成功；同樣的，如果第一次解析失敗了，那么其他指令對這個(gè)符號的解析請求也應(yīng)該收到相同的異常。

解析動作主要針對類或接口、字段、類方法、接口方法、方法類型、方法句柄和調(diào)用點(diǎn)限定符7類符號引用進(jìn)行，分別對應(yīng)于常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info 7種常量類型。

初始化

初始化時(shí)類加載的最后一步，前面的類加載過程中，除了在加載階段用戶應(yīng)用程序可以通過自定義類加載器參與之外，其余動作完全由虛擬機(jī)主導(dǎo)和控制。到了初始化階段，才真正開始執(zhí)行類中定義的Java程序代碼（或者說是字節(jié)碼）。

在準(zhǔn)備階段，變量已經(jīng)賦過一次系統(tǒng)要求的初始值（零值），而在初始化階段，則根據(jù)程序員通過程序制定的主觀計(jì)劃去初始化類變量和其他資源。

從代碼的角度來說，初始化階段是執(zhí)行類構(gòu)造器<clinit>()方法的過程。（不同構(gòu)造函數(shù)<init>()）

虛擬機(jī)會保證，在子類的＜clinit＞（）方法執(zhí)行之前，父類的＜clinit＞（）方法已經(jīng)執(zhí)行完畢。因此在虛擬機(jī)中第一個(gè)被執(zhí)行的＜clinit＞（）方法的類肯定是java.lang.Object。特殊的是，接口并不需要先執(zhí)行父接口的＜clinit＞（），而是等到父接口被使用時(shí)才初始化。

<clinit>()方法對于類或接口來說并不是必需的，如果一個(gè)類中沒有靜態(tài)語句塊，也沒有對變量的賦值操作，那么編譯器可以不為這個(gè)類生成＜clinit＞（）方法。

小結(jié)

簡單了解一下類加載的流程，加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化、使用和卸載?，F(xiàn)在是不是對于一個(gè)如何載入虛擬機(jī)更加清晰？
由于類加載部分在之前已經(jīng)做過筆記，這里不在重復(fù)施工。

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