JVM(六)--类加载机制_jvm是指

JVM(六)–类加载机制

一 什么是类的加载：

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

二 类加载的时机：

（1）类加载过程的顺序：

• 类的整个生命周期：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、解析这三个阶段统称为连接。

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，但是解析阶段的顺序不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持java语言的运行时绑定（也成为“动态绑定”或“晚期绑定”）

1，类加载：

在加载阶段，虚拟机需要完成以下三个事情：

• 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流
• 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
• 在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口

加载阶段（准确地说，是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作）是开发期可控性最强的阶段，因为加载阶段既可以使用系统提供的类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员们可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式。

总结：加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区中，方法区中的数据存储格式由虚拟机自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据。然后再Java堆中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将作为程序方法区中的这些类型数据的外部接口。

2. 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。

Java语言本身是相对安全的语言，使用存粹的Java代码无法做到诸如访问数组边界以外的数据、将一个对象转型为它并未实现的类型、跳转到不存在的代码行之类的事情，如果这样做了，编译器将拒绝编译。但是Class文件并不一定要求用Java源码编译而来，可以使用任何途径，包括用十六进制编译器直接编写来产生Class文件。虚拟机如果不检查输入的字节流，对其完全信任的话，很可能会因为载入了有害的字节流而导致系统崩溃，所以验证是虚拟机对自身保护的一项重要工作。

虚拟机的验证阶段根据不同的虚拟机都会不同，但是大致都会完成以下4个验证：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证

文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。

元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。

字节码验证：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。

符号引用验证：确保解析动作能正确执行。

小总结：

验证阶段对于虚拟机的类加载机制来说，是非常重要的，
但不一定是必要的阶段。
如果所运行的全部代码都已经被反复使用和验证过，在实施阶段就可以考虑使用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，
以缩短虚拟机类加载的时间
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3. 准备：

准备阶段是正式为类变量分配内存并且设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中进行分配。这个时候进行内存分配的**仅包括类变量(被static修饰的变量)，而不包括实例变量，实例变量将会在对象初始化时随着对象一起分配在Java堆中**。

初始值：（1）通常情况下，就是数据类型的零值，如下：

public static int value = 123;
1

上面变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是123。因为这个时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器<clinit>()方法中

初始值：（2）特殊情况下，如果类字段的属性表中存在ConstantValue属性，在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所制定的指，如下：

public static final int value = 123;
1

编译时javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123

4. 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量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用于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
• 直接引用
  • 直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能简接定位到目标的句柄。直接引用是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。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经存在在内存中了。

对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情，虚拟机实现可能会对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标识为已解析状态）从而避免解析动作重复进行。无论是否真正执行了多次解析动作，虚拟机需要保证的都是在同一个实体中，如果一个符号引用之前被成功解析过，那么后续的引用解析请求应当一直成功；同样地，如果第一次解析失败了，其他指令对这个符号的解析请求也应该收到相同的异常。

解析过程一共包含4个：类或接口的解析；字段解析；类方法解析；接口方法解析

（1）类或者接口的解析：

假设当前代码所处的类为D，如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或者接口C的直接引用，那虚拟机完成整个解析的过程需要包括一下三步骤：

• 第一步：如果C不是一个数组类型，那么虚拟机将会把N的全限定名传递给D的类加载器区加载这个类C。在加载过程中，由于无数据验证、字节码验证的需要，又将可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或者实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就将宣告失败
• 第二步：如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类似"Ljava.lang.Integer"的形式，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是"Ljava.lang.Integer"，接着由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象
• 第三步：如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机种实际上已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认C是否具备对D的访问权限，如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessErroor异常

（2）字段解析：

要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段内class_index项种索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或者接口的符号引用。如果在解析这个类或者接口符号引用的过程种出现了任何异常，都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功，那将这个字段所属的类或者接口用C表示，

（3）类方法解析：

类方法解析的第一步骤和字段解析一样，也是需要先解析出类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或者接口的符号引用，如果解析成功，我们依然用C表示这个类。

（4）接口方法解析：

接口方法也是需要先解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或者接口的符号引用，如果解析成果，依然用C表示这个接口，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索。

5. 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，其余动作完全由寻你及主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码

用一个类加载器，一个类型只会初始化一次。

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，则根据程序员自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()方法的过程。

下面讲解该方法的作用：

• <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，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的，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中可以赋值，但是不能访问
• <clinit>()方法与类构造函数（或者说实例构造器()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地<clinit>()方法执行之前，父类地<clinit>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行地()方法地类肯定是java.lang.Object
• 由于父类的 <clinit>()方法先执行，也就意味着父类中定义地静态语句块要先于子类地变量赋值操作
• <clinit>()方法对于类或者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 <clinit>()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被使用时，父接口才会被初始化。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
• 虚拟机会保证一个类的 <clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁和同步，如果多线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的 <clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行 <clinit>()方法完毕。如果在一个类的 <clinit>()方法中耗时很长的操作，那就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。（也就是说，只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，不管这个线程退出与否，其他线程都不会再去执行<clinit>()方法）

JVM初始化步骤:

• 1、假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类
• 2、假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类
• 3、假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句

类初始化时机：
只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种：

• 1),创建类的实例，也就是new的方式
• 2),访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
  • int b = Test.a; Test.a = b;
  • 注意：被final修饰的静态变量除外：因为常量是一种特殊的变量，编译器把他们当做值（value）而不是域（field）来对待。如果代码中用到了常变量（constant variable），编译器并不会生成字节码来从对象中载入域的值，而是直接把这个值插入到字节码中。这是一种很有用的优化，但是如果你需要改变final域的值，那么每一块用到这个域的代码都需要重新编译
• 3),调用类的静态方法 Test.do()
• 4),反射（如Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)） 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化 Class.forName("com.Test")
• 5),初始化一个类的子类:

class Parent {}
class Child extends Parent {
    public static int a = 1;
}
Child.a = 2;
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• 6),Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（Java Test），直接使用java.exe命令来运行某个主类

注意：

被动引用的例子（很重要）

通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化

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

    public static int value = 123;
}

class SubClass extends SuperClass {
    static {
        System.out.println("SubClass init!");
    }
}
public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        //通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
        System.out.println(SubClass.value);

    }
}

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运行结果：

SuperClass init!
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总结：对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化。

附上相关的链接：

https://blog.csdn.net/qfc8930858/article/details/89762969

感谢并参考：

https://blog.csdn.net/xiaojie_570/article/details/80256119
https://blog.csdn.net/qfc8930858/article/details/89761933