Java类加载过程详解-优快云博客

相对于类加载过程的其他阶段，非数组类型的加载阶段（准确地说，是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作）是开发人员可控性最强的阶段。加载阶段既可以使用Java虚拟机里内置的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器，开发人员可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式（重写一个类加载器的findClass（）或loadClass()方法），实现根据自己的想法来赋予应用程序获取运行代码的动态性。

对于数组而言，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。但数组类的元素类型（Element Type：指的是数组去掉所有维度的类型）最终还是要靠类加载器来完成加载，一个数组类创建过程遵循以下规则：

如果数组的组件类型（Component Type，指的是数组去掉一个维度的类型，和前面的元素类型不一样）的引用类型，那就递归采用本节定义的加载过程去加载这个组件类型，该数组将被标识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上。（一个类型必须与类加载器一起确定唯一性）；
如果数组的组件类型不是引用类型（int[]数组组件类型为int），Java虚拟机将会把该数组标记为引导类加载器关联；
数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致，如果组件类型不是引用类型，它的数组类的可访问性将默认为public，可被所有的类和接口访问到。

加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义；

加载阶段和连接阶段的部分内容是交叉进行的。

2、验证

验证是连接阶段的第一步，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全部约束要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段是否严谨直接决定了 Java 虚拟机是否能承受恶意代码的攻击，从执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中又占了相当大的一部分。

验证阶段大致会完成下面 4 个阶段的检验动作：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

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。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，所以后面的 3 个验证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。

主要验证点：

是否以魔数0XCAFEBABE开头；
主次版号是否在当前虚拟机接受范围之内；
常量池的常量是否有不被支持的常量类型；
指向常量的各种索引值是否有指向不存在的常量或者不符合类型的常量；
.....

2、元数据验证

第二阶段是对字节码描述的数据进行语义分析，以保证其描述的信息符合 Java 语言规范的。

主要验证点：

这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）
这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）；
如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或者接口之中要求实现的所有方法；
......

3、字节码验证

第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，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校验分析，保证被校验的类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件。

如果一个方法体没有通过了字节码校验，那它肯定有问题；如果一个方法体通过了字节码校验，也不能说明其一定就是安全的。这里涉及一个停机问题，通过程序去校验程序逻辑是无法做到绝对准确的，不能通过程序准确地检查出程序是否能在有限的时间之内结束运行。

主要进行以下验证：

保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现类似于“在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中”；
保证任何跳转指令都不会跳转到方法体以外的字节码指令上；
保证方法体中类型转换总是有效的；
.....

4、符号引用验证

最后一个阶段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。符号引用可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验。

符号引用验证的主要目的是确保解析行为能正常执行，如果无法通过符号引用验证，Java虚拟机将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError的子类异常。

主要校验：

符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类；
在指定类中是否存在符合方法的字段描述符及简单名称所描述的方法和字段；
符号引用中的类、字段、方法的可访问性（private、protected、public、<package>)是否可被当前类访问；
......

3、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。这时候进行内存分配的仅包括类变量，而不包括实例变量；这里所说的初始值，是指 0 值。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。

public static final int value=123;

如果是 static final 常量，那么会被初始化为 ConstantValue 属性所指定的值。即这时候value将赋值为123，而不是0。

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：符号引用是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，只要使用时无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定都已经加载到内存中。
直接引用：直接引用是可以直接指向目标的指针，相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和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，那么引用的目标必须已经在内存中存在。

对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情，除了 invokedynamic 指令外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存，从而避免解析动作重复进行。即无论是否真正执行了多次解析动作，Java虚拟机都需要保证的是在同一个实体中，如果一个符号引用之前已经被成功解析过，那么后续的引用解析请求就应当一直成功；同样，如果第一次解析失败了，其他指令对于这个符号的解析请求也应当收到相同的异常，哪怕这个请求的符号后来已经成功加载进Java虚拟机内存之中。

动态（invokedynamic）的含义是必须等到程序实际运行到这条指令的时候，解析动作才能进行。

解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符。

1、类或接口的解析

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解析未一个类或者接口C的直接引用，虚拟机主要包括3个步骤：

如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C；
如果如果C是一个数组类型，并且数组元素类型为对象，也就是N的描述符会的类似“[Ljava/lang/Integer"形式，那将会按照第一点的规则加载数组元素类型；
如果上面两步没有出现异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，但是解析完成前还要进行符号引用验证，确定D是否具备对C的访问权限。

2、字段解析

3、方法解析

4、接口方法解析

5、初始化

类初始化是类加载阶段的最后一步。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码。

初始化阶段是执行类构造器方法的过程。

类构造器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代码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决定的，静态代码块只能访问到定义在静态代码块之间的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态代码块可以赋值，但是不能访问；
类构造器与类的构造方法不同，它不需要显式调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的类构造器执行之前，父类的类构造器已经执行完毕；
类构造器对于类或接口不是必需的，如果一个类中没有静态代码块，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类构造器；
接口中不能使用静态代码块，但是仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口和类一样都会生里成类构造器。但接口与类不同的是，执行接口的类构造器不需要先执行父接口的类构造器。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化，另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的类构造器。
虚拟机会保证一个类的类构造器在多线程环境中被正确地加锁同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只有一个线程去执行这个类的类构造器，其他线程都需要阻塞等待，直至活动线程执行类构造器完毕