JAVA虚拟机（四）-图解类加载机制

灰太狼 2022-05-10 01:26 202阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  基本理解
 *   *  定义:
     *  过程
     *  类加载时机规定
     *   *  初始化的规定
         *  解析的规定
         *  顺序说明
 *  类加载五阶段
 *   *  加载
     *  验证
     *   *  文件格式验证
         *  元数据验证
         *  字节码验证
         *  符号引用验证
         *  验证小结
     *  准备
     *   *  非final
         *  final静态字段
     *  解析
     *   *  类或接口解析
         *  字段解析
         *  类方法解析
         *  接口方法解析
     *  初始化
 *  说明

*在学习本节之前,务必了解类文件结构*

类加载 是什么,从哪里来到哪里去,什么时候产生,是什么过程?

本节针对普通类(排除数组,排除JDK7+支持动态语言的特性相关)的加载过程

# 基本理解 #

## 定义: ##

一个比较简单的定义如下:

> 根据类的全限定名(java.lang.Integer)找到类对象(Class对象),然后将它加载到方法区中

## 过程 ##

![类加载基本流程][1f6c2c817d74a61cb178210d58d3d5e0.png]

类的使用有7个阶段,加载具有5个阶段,我们主要描述的也是这5个阶段

图中按难易程度标注了五个过程

*  简单: 绿色
 *  一般: 浅红
 *  复杂: 红色,深红色

虚拟机并没有规定类加载的具体时机,只对`解析`和`初始化`进行了明确的规定.

## 类加载时机规定 ##

### 初始化的规定 ###

1.  先初始化main方法所在的类
2.  父类未初始化时,先初始化父类
3.  遇到 new`创建对象new Object()`,putstatic`为静态字段赋值`,getstatic`获取静态字段的值`,invokestatic`执行静态方法`字节码时
4.  反射调用类时
5.  使用JDK7的动态语言支持的时候. MethodHandler的解析结果为 putstatic,getstatic,invokestatic时 (不管它,反正也不用)

### 解析的规定 ###

在遇到下列字节码之前进行解析:

*  anewarray 创建数组(元素是引用类型)
 *  checkcast 对象强制转换
 *  getfield 获取字段的值
 *  getstatic 获取静态字段的值
 *  instanceof instanceof 判断
 *  invokedynamic 动态调用点限定符(目前java不会生成，为了支持其他语言用的)
 *  invokeinterface 执行接口方法
 *  invokespecial 执行私有方法,构造方法
 *  invokestatic 执行静态方法
 *  invokevirtual 执行虚方法
 *  ldc 将int、float或String型常量值从常量池中推送至栈顶
 *  ldc\_w 将int、float或String型常量值从常量池中推送至栈顶（宽索引）
 *  multianewarray 创建多维数组
 *  new 创建对象
 *  putfield 设置字段的值
 *  putstatic 设置静态字段的值

### 顺序说明 ###

在类加载过程中 加载->验证->准备->初始化 的`开始顺序`是确定的。  
解析却不一定,由虚拟机实现来决定在初始化之前或者之后执行

可以从字节码规定中发现,以下指令是初始化和解析重合的。  
所以笔者认为:在遇到以下4个指令的情况下,由虚拟机的具体实现去决定`初始化`和`解析`谁先谁后

*  new
 *  putstatic
 *  getstatic
 *  invokestatic

图形说明

*  灰色 无关
 *  红色 顺序不确定
 *  绿色 执行解析

![解析字节码规定][412cb1136133d82f3313e6778c065a1f.png]

# 类加载五阶段 #

类加载的触发有3种情况

1.  虚拟机启动加载（不管）
2.  由解析阶段触发 (加载，验证，准备 在解析之前)
3.  由初始化阶段触发,(加载，验证，准备 在初始化之前)

## 加载 ##

1.  从类的全限定名(java.lang.Integer)获得二进制字节流(byte\[\])
2.  将类静态存储结构(CONSTANT\_Class\_info)转换为方法区运行时存储结构(虚拟机自己定义结构,没有规范)
3.  生成Class对象,作为类的数据的访问接口

加载是一个相对简单的流程,也是程序员最可控的流程,可以由程序员自行决定如何通过类的全限定名获取二进制字节流

*  运行时生成(动态代理)
 *  由文件生成(jsp)
 *  网络中获取(Applet)
 *  压缩文件中获取(war,jar)  
    ![类加载图解][9b56285ba99a4be6e63f957631b44f04.png]

## 验证 ##

验证是比较复杂的一个阶段，与多个阶段都会交叉执行。 (可以用`-Xverify:none` 关闭验证)

1.  文件格式验证
2.  元数据验证
3.  字节码验证
4.  符号引用验证

这里简单的介绍一下各个验证分别是验证什么内容。 主要说明与哪些阶段交叉，什么时候交叉

### 文件格式验证 ###

*  文件头是不是0xCAFEBABE
 *  主次版本是否在当前版本处理范围内
 *  是否有不被支持的常量类型

在`加载阶段`的`格式转换并存储`时进行验证,验证通过后,才会在方法区存储

这个阶段是对 二进制字节流验证。后面的都是对`静态存储结构(StaticClass)`进行验证

### 元数据验证 ###

*  是否有父类
 *  是否继承了final类
 *  是否实现了所有抽象方法

*在文件格式验证之后*

### 字节码验证 ###

*  不跳转到方法体外
 *  操作栈的访问正确性(存int按long去访问)

在元数据验证之后

### 符号引用验证 ###

*  通过全限定名是否能找到类
 *  符号引用中类、字段、方法的访问性(private,protected,public,default)是否可以被当前类访问

*在解析阶段中发生*

### 验证小结 ###

省略了加载阶段中,从全限定名获得二进制字节流的过程。

加入了4个验证阶段的发生的时间  
![验证阶段说明][efa4e202d565514a94dd1e7723afa5c8.png]

## 准备 ##

这是最简单的一个阶段,只为静态字段赋初始值

### 非final ###

静态字段默认初始值:

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>类型</td> 
   <td>默认值</td> 
   <td>类型</td> 
   <td>默认值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>byte</td> 
   <td>0</td> 
   <td>short</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>char</td> 
   <td>0</td> 
   <td>int</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>long</td> 
   <td>0</td> 
   <td>double</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>float</td> 
   <td>0</td> 
   <td>boolean</td> 
   <td>false</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>refrence</td> 
   <td>null</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

例如下面代码的初始值为0

private static int number = 3;

### final静态字段 ###

初始值就是定义的值

例如下面代码的初始值就不是`0`,而是`3`

private static final int number = 3;

## 解析 ##

解析的定义: 将常量池中符号引用替换成直接引用

*  符号引用: 以一组符号来描述所引用的目标，符号引用的字面量明确规定在class文件格式中（目标不一定在内存）
 *  直接引用: 能直接或间接定位到目标的指针（目标已在内存）

下图为4种解析的说明

![解析定义图][134929a0943523903e17e8ab7be98240.png]

解析针对7种符号引用进行，这里只说明4种(与java有关)。剩余的3种与JDK7新增的动态语言有关

### 类或接口解析 ###

*  字段不是数组时: 当前类加载器(ClassLoader)去加载这个类型
 *  是数组时: 当前类加载器(ClassLoader)去加载元素类型，数组类型有JVM的类加载器去加载

### 字段解析 ###

1.  在当前类查找字段
2.  在接口列表和接口的父接口查找
3.  在父类中查找

### 类方法解析 ###

1.  查找当前类
2.  查找父类
3.  查找父接口，找到则抛出异常(java.lang.AbstractMethodError)
4.  抛出异常(java.lang.NoSuchMethodError)

### 接口方法解析 ###

1.  当前接口查找
2.  父接口查找
3.  抛出异常(java.lang.NoSuchMethodError)

## 初始化 ##

初始化阶段做了以下两件事情

1.  合并静态字段、静态块生成类构造器方法
2.  执行类构造器方法

> 执行类构造器()方法(非实例构造)

类构造器是什么?

类构造器由编译器收集`静态字段`和`静态块`合并产生的。执行顺序和源码顺序一致

例如:

private static int a = 1;
        static{
            int ma = 2;
        }
        private static int b = 2;

合并后的类构造器内容

private <clinit>(){
        int a = 1;
        int ma = 2;
        int b = 2;
    }

# 说明 #

本文的内容全部来自于: 《深入理解Java虚拟机》。

[1f6c2c817d74a61cb178210d58d3d5e0.png]: /images/20220510/96cc0a9e1ec04879b7684d7cba56f2f8.png
[412cb1136133d82f3313e6778c065a1f.png]: /images/20220510/aab6f4293502415ca4a05aefe624a37b.png
[9b56285ba99a4be6e63f957631b44f04.png]: /images/20220510/b17f5cb14a394947979efd6d2c5b300a.png
[efa4e202d565514a94dd1e7723afa5c8.png]: /images/20220510/98b16a9a4a754bc6b872515d6f195402.png
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