文章作為《深入理解Java虛擬機(jī)》讀書筆記，講的可能就沒書本詳細(xì)。

一.類文件結(jié)構(gòu)

Java虛擬機(jī)多平臺

都是統(tǒng)一使用的程序存儲格式——字節(jié)碼.class文件
任何語言都可以被特定的編譯器編譯為存儲字節(jié)碼的Class文件，Class文件中包含了Java虛擬機(jī)指令集和符號表以及若干其他輔助信息。虛擬機(jī)并不關(guān)心Class的來源是何種語言。

Class文件結(jié)構(gòu)

Class文件是一組以8位字節(jié)為基礎(chǔ)單位二進(jìn)制流，各個數(shù)據(jù)項目嚴(yán)格按照順序緊湊地排列在Class文件中，中間沒有添加任何分隔符。

任何一個Class文件都對應(yīng)著唯一一個類或接口的定義信息，但反過來說，類或接口并不一定都得定義在文件里，類或接口也可以通過類加載器直接生成。

Class文件格式采用一種類似C語言結(jié)構(gòu)體的偽結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)，包含兩種數(shù)據(jù)類型：無符號數(shù)和表

魔術(shù)與Class文件的版本

Class文件十六進(jìn)制結(jié)構(gòu)

使用十六進(jìn)制編譯器WinHex打開任意一個class文件，可以看到它的結(jié)構(gòu)。

• 前4個字節(jié)0-3表示為魔數(shù)：唯一作用是確定這個文件是否為一個能被虛擬機(jī)接受的Class文件，值為0XCAFEBABE，如圖中所示

• 接著兩位是次版本號4-5，這里值為0x0000

• 接著兩位是主版本號6-7，這里值為0X0033，也就是十進(jìn)制51，表明當(dāng)前JDK版本號在1.7以上。

常量池

緊接著主次版本號之后的是常量池入口，它是占用Class文件空間最大的數(shù)據(jù)項目之一，同時還是在Class文件中第一個出現(xiàn)的表類型數(shù)據(jù)項目。

由于常量池中常量的數(shù)目是不固定的，所以在入口需要放置一項U2類型2個字節(jié)的數(shù)據(jù)代表常量池容量計數(shù)值。
這個容量計數(shù)是從1開始而不是從0開始。如圖，常量池容量的16進(jìn)制數(shù)是0X02ED，對應(yīng)十進(jìn)制749，這就代表常量池中有748項常量，索引值范圍為 1-749

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常量池中主要存放兩大類常量：字面量和符號引用

訪問標(biāo)志

在常量池結(jié)束之后，緊接著的兩個字節(jié)代表訪問標(biāo)志acces_flags，用于標(biāo)識一些類或者接口層次的訪問信息，包括這個Class是類還是接口，是否定義為public等

類索引，父類索引與接口索引集合

• 類索引：一個U2類型的數(shù)據(jù)，用來確定這個類的全限定名
• 父類索引：一個U2類型的數(shù)據(jù)，用來確定這個類的父類的全限定名。由于JAVA不允許多重繼承，所以父類索引引用只有一個。
• 接口索引集合：一組U2類型的數(shù)據(jù)集合，用來描述這個類實現(xiàn)了哪些接口

類索引，父類索引與接口索引集合都按順序排列在訪問標(biāo)志之后。

二.類加載機(jī)制

類加載的時機(jī)

類從被加載到虛擬機(jī)內(nèi)存開始，到卸載出內(nèi)存為止，整個生命周期包括：加載、驗證、準(zhǔn)備、解析、初始化、使用和卸載七個階段。驗證，準(zhǔn)備，解析3個階段部分統(tǒng)稱為連接。

其中加載、驗證、準(zhǔn)備、初始化、和卸載這5個階段的順序是確定的。

而解析階段不一定：它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的運(yùn)行時綁定。

類加載生命周期

對于初始化階段，虛擬機(jī)嚴(yán)格規(guī)定有且只有5種情況必須立即對類進(jìn)行初始化

• 遇到new,getstatic,putstatic,invokestatic這4條字節(jié)碼指令時，如果類沒有進(jìn)行過初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。
  eg：使用new關(guān)鍵字實例化對象的時候；讀取或者設(shè)置一個類的靜態(tài)字段；調(diào)用一個類的靜態(tài)方法時等

• 使用java.lang.reflect包對類進(jìn)行反射調(diào)用的時候

• 當(dāng)初始化一個類的時候，如果發(fā)現(xiàn)其父類還沒有初始化，則要先觸發(fā)其父類的初始化

• 當(dāng)虛擬機(jī)啟動時，用戶需要指定一個要執(zhí)行的主類時

• 當(dāng)使用JDK 1.7動態(tài)語言支持時，如果一個java.lang.invoke.MethodHandle實例最后的解析結(jié)構(gòu)REF_getStatic,REF_putStatic,REF_invokeStatic的方法句柄，并且這個方法句柄所對應(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類進(jìn)行主動引用
所有引用類的方式都不會觸發(fā)初始化，稱為被動引用

對于靜態(tài)字段，只有直接定義這個字段的類才會被初始化，因為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。

被動引用例子

• 通過子類引用父類的靜態(tài)字段，不會導(dǎo)致子類初始化

• 通過數(shù)組定義來引用類，不會觸發(fā)此類的初始化

• 常量在編譯階段會存入調(diào)用類的常量池中，本質(zhì)中并沒有直接引用定義常量的類，因此不會觸發(fā)定義常量的類的初始化。

加載

虛擬機(jī)需要完成三件事情

• 通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流

• 將這個字節(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)行時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（方法區(qū)里用來存儲虛擬機(jī)加載的類信息）

• 在內(nèi)存中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象，作為方法區(qū)這個類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口。這個Class對象將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

驗證

驗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。驗證階段大致會完成下面4個階段的檢驗動作

• 一.文件格式驗證：是否以魔數(shù)0xCAFEBABE開頭，主次版本是否在處理機(jī)處理范圍內(nèi)等

• 二.元數(shù)據(jù)驗證：對字節(jié)碼描述的信息進(jìn)行語義分析，以保證描述的信息符合JAVA語言規(guī)范的要求，比如是否有父類等

• 三.字節(jié)碼驗證：這個階段是最復(fù)雜的一個階段，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。在第二個階段對元數(shù)據(jù)信息中的數(shù)據(jù)類型做完校驗后，這個階段將對類的方法體進(jìn)行校驗，保證被校驗類的方法在運(yùn)行時不會做出危害虛擬機(jī)安全的事件。

• 四.符號引用驗證：最后一個階段的校驗發(fā)生在虛擬機(jī)將符號引用轉(zhuǎn)化為直接引用的時候，這個轉(zhuǎn)換動作將在連接第三階段——解析階段中發(fā)生。符號引用驗證可以看作是對類自身以外的信息進(jìn)行匹配性校驗，比如校驗 符號引用中通過字符串描述的全限定名是否能找到對應(yīng)的類；符號引用中的類，字段，方法的訪問性（public ,private..）是否可以被當(dāng)前訪問等。符號引用驗證的目的是確保解析動作能正常執(zhí)行

準(zhǔn)備

準(zhǔn)備階段是正式為類變量 分配內(nèi)存 并且設(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。
這里分配內(nèi)存僅包括類變量（被static修飾的變量），而不包括實例變量，實例變量將會在對象實例化時隨著對象一起分配在Java堆中。
其次這里所說的初始值是通常情況下的數(shù)據(jù)類型零值

//假設(shè)一個類變量定位為
public static int value = 123;

那么變量valuew在準(zhǔn)備階段過后初始值為0而不是123，因為這時候尚未開始執(zhí)行任何Java方法，而把value賦值為123的putstatic指令是程序被編譯后，存放于類構(gòu)造器< clinit >()方法中所以把value賦值為123是在初始化階段才會執(zhí)行。

解析

解析階段是虛擬機(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：以一組符號來描述所引用的目標(biāo)，符號可以使任何形式的字面量，只要使用時能無歧義地定位到目標(biāo)中即可。符號引用與虛擬機(jī)實現(xiàn)的內(nèi)存布局無關(guān)，引用的目標(biāo)并不一定已經(jīng)加載到內(nèi)存中。

• 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能間接定位到目標(biāo)的句柄。直接引用是和虛擬機(jī)實現(xiàn)的內(nèi)存布局相關(guān)的。如果有了直接引用，那么引用的目標(biāo)必定存在內(nèi)存中。

初始化

類初始化時類加載的最后一步，前面類加載過程中，除了加載階段用戶可以通過自定義類加載器參與以外，其余動作都是虛擬機(jī)主導(dǎo)和控制。到了初始化階段，才是真正執(zhí)行類中定義Java程序代碼。

準(zhǔn)備階段中，變量已經(jīng)賦過一次系統(tǒng)要求的初始值，而在初始化階段，根據(jù)程序員通過程序制定的主觀計劃初始化類變量。初始化過程其實是執(zhí)行類構(gòu)造器< clinit >()方法的過程。

< clinit >()方法是由編譯器自動收集類中 所有類變量的賦值動作 和 靜態(tài)語句塊 中的語句合并產(chǎn)生的。收集的順序是按照語句在源文件中出現(xiàn)的順序。靜態(tài)語句塊中只能訪問定義在靜態(tài)語句塊之前的變量，定義在它之后的變量可以賦值，但不能訪問。

public class Test{
    static{
        i = 0; //給變量賦值，可以通過編譯
        System.out.print(i); //這句編譯器會提示“非法向前引用”
    }
    static int i = 1;
}

< clinit >()方法與類構(gòu)造函數(shù)（或者說實例構(gòu)造器< init >()）不同，他不需要顯式地調(diào)用父類構(gòu)造器，虛擬機(jī)會保證子類的< clinit >()方法執(zhí)行之前，父類的< clinit >()已經(jīng)執(zhí)行完畢。

類加載器

通過一個類的全限定名來獲取描述此類的二進(jìn)制字節(jié)流。

對于任意一個類，都需要由加載它的類加載器和這個類本身一同確立其在Java虛擬機(jī)中的唯一性，每一個類加載器，都擁有一個獨立的類名稱空間。

比較兩個類是否相等，只有在這兩個類都是同一個類加載器加載的前提下才有意義，否則，即使這兩個類來源于同一個Class文件，被同一個虛擬機(jī)加載，只要加載他們的類加載器不同，那么這兩個類就必定不相等。

從JAVA虛擬機(jī)角度講，只存在兩種不同的類加載器：

一種是啟動類加載器，這個類加載器使用C++語言實現(xiàn)，是虛擬機(jī)自身的一部分
另一種就是所有其他的類加載器，這些類加載器使用JAVA語言實現(xiàn)，獨立于虛擬機(jī)外部，并且全都繼承自抽象類java.lang.ClassLoader

雙親委派模型

絕大部分JAVA程序都會使用到3種系統(tǒng)提供的類加載器。
啟動類加載器，擴(kuò)展類加載器，應(yīng)用程序加載器。

類加載器雙親委派模型為，相互之間為組合關(guān)系

雙親委派模型

工作過程：如果一個類加載器收到了類加載請求，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把這個請求委派給父類加載器去完成，每一個層次的類加載器都是如此，因此所有的加載請求最終都應(yīng)該傳送到頂層的啟動類加載器中，只有當(dāng)父加載器反饋自己無法完成這個加載請求時，子加載器才會去嘗試自己去加載。