JVM类加载过程

类加载过程

• 在Java中数据类型分为基本数据类型和引用数据类型，基本数据类型由虚拟机预先定义，引用数据类型则需要进行类的加载
  

加载（Loading）

• 加载就是将Java类的字节码文件加载到机器内存中，并在内存中构建出Java类的原型一一类模板对象
• 模板对象：Java类在JVM内存中的一个快照，JVM将从字节码文件中解析出的常量池、类字段、类方法等信息存储到类模板中，这样JVM在运行期便能通过类模板而获取Java类中的任意信息，能够对Java类的成员变量进行遍历，也能进行Java方法的调用
• 反射的机制即基于这一基础，如果JVM没有将Java类的声明信息存储起来，则JVM在运行期也无法反射

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• 查找并加载类的二进制数据，生成Class的实例
• 具体过程
  • 通过类的全名，获取类的二进制数据流。
  • 解析类的二进制数据流为方法区内的数据结构（Java类模型）
  • 创建java.lang.Class类的实例，表示该类型，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

二进制流获取

• 类的二进制数据流，虚拟机可以通过多种途径产生或获得，（只要所读取的字节码符合JVM规范即可）

• 虚拟机可能通过文件系统读入一个class后缀的文件

• 读入jar、zip等归档数据包，提取类文件。

• 事先存放在数据库中的类的二进制数据

• 使用类似于HTTP之类的协议通过网络进行加载

• 在运行时生成一段class的二进制信息等

• 在获取到类的二进制信息后，Java虚拟机就会处理这些数据，并最终转为一个java.lang.Class的实例

• 输入数据不是ClassFile的结构，则会抛出ClassFormatError

类模型与实例

• 类将class文件加载至元空间后，会在堆中创建一个Java.lang.Class对象，用来封装类位于方法区内的数据结构
• 该Class对象是在加载类的过程中创建的，每个类都对应有一个Class类型的对象
  

数组类的加载

• 创建数组类的情况稍微有些特殊，因为数组类本身并不是由类加载器负责创建，而是由JVM在运行时根据需要而直接创建的，

• 数组的元素类型仍然需要依靠类加载器去创建，创建数组类过程：

  • 如果数组的元素类型是引用类型，那么就遵循定义的加载过程递归加载和创建数组A的元素类型

  • JVM使用指定的元素类型和数组维度来创建新的数组类

  • 如果数组的元素类型是引用类型，数组类的可访问性就由元素类型的可访问性决定。否则数组类的可访问性将被缺省定义为public

链接（Linking）

验证

• 当类加载到系统后，就开始链接操作，第一步是验证
• 保证加载的字节码是合法、合理并符合规范的.
  
• 格式验证和加载阶段一起执行，验证通过之后，类载器才会成功将类的二进制数据 信息加载到方法区中
• 格式验证之外的验证操作将会在方法区中进行
• 避免了在字节码运行时进行各种检查

语义检查

• 检查存在不兼容的方法（方法签名除了返回值不同，其他信息丢相同）
• abstract修饰的方法是否为final

字节码验证

• 复杂过程
• 试图通过对字节码流的分析，判断字节码是否可以被正确地执行，比如：
  • 在字节码的执行过程中，是否会跳转到一条不存在的指令
  • 函数的调用是否传递了正确类型的参数
  • 变量的赋值是不是给了正确的数据类型等

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• 栈映射帧（StackMapTable）就是在这个阶段，用于检测在特定的字节码处，其局部变量表和操作数栈是否有着正确的数据类型。不能百分百判断判断一段字节码可以被安全执行是无法实现的，
• 尽可能地检查出可以预知的明显的问题，如果在这个阶段无法通过检查，虚拟机也不会正确装载这个类
• 通过了这个阶段的检查，也不能说明这个类是完全没有问题的

符号引用验证

• 校验器还将进符号引用的验证，Class文件在其常量池会通过字符串记录自己将要使用的其他类或者方法
• 在验证阶段，虚拟机就会检查这些类或者方法确实是存在的，并且当前类有权限访问这些数据，如果一个需要使用类无法在系统中找到，则会抛出NoClassDefFoundError
• 一个方法无法被找到，则会抛出NoSuchMethodError。此阶段在解析环节才会执行

准备

• 为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值
• 一个类验证通过时，虚拟机就会进入准备阶段
• 虚拟机就会为这个类分配相应的内存空间，并设置默认初始值
• 不会像初始化阶段中那样会有初始化或者代码被执行

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• 不包含基本数据类型的字段用static final修饰的情况，因为final在编译时就会分配了，准备阶段会显式赋值
• 一般情况：static final修饰的基本数据类型、字符串类型字面量会在准备阶段赋值（new String("字面量");的形式在显性初始化阶段赋值）

解析

• 将类、接口、字段和方法的符号引用转为直接引用
• 符号引用就是一些字面量的引用，和虚拟机的内部数据结构和和内存布局无关，在Class类文件中，通过常量池进行了大量的符号引用
• 但是在程序实际运行时，只有符号引用是不够的，系统需要明确知道该方法的位置。

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• 当需要调用一个类的方法的时候，只要知道这个方法在方法表中的偏移量就可以直接调用该方法
• 通过解析操作，符号引用就可以转变为目标方法在类中方法表中的位置，使得方法被成功调用

初始化（Initialization）

• 静态变量显性赋值
• 初始化阶段重要工作是执行<clinit>方法
• <clinit>方法仅能由Java编译器生成并由JVM调用，程序开发者无法自定义一个同名的方法，更无法直接在Java程序中使用该方法（该方法也是由字节码指令所组成）
• 它是由类静态成员的赋值语句以及static语句块合并产生的

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• 加载一个类之前，虚拟机总是会试图加载该类的父类，因此父类的<clinit>总是在子类<clinit>之前被调用
• 没有<clinit>方法的情况
  • 类没有声明任何的类变量，也没有静态代码块
  • 类中声明类变量，但是没有明确使用类变量的初始化语句以及静态代码块来执行初始化操作时
  • 类中包含static final修饰的部分数据类型的字段（字面量赋值），这些类字段初始化语句采用编译时常量表达式

<clinit>方法线程安全性

• <clinit>方法的调用，也就是类的初始化，虚拟机会在内部确保其多线程环境中的安全性

• 虚拟机会保证一个类的方法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

• 正因如此，一个类的<clinit>方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个线程阻塞，引发死锁，并且这种死锁是很难发现的，因为看起来它们并没有可用的锁信息。

• 之前的线程成功加载了类，则等在队列中的线程就没有机会再执行<clinit>方法了，当需要使用这个类时，虚拟机会直接返回给它已经准备好的信息

类初始化情况

• 打印类加载信息参数：-XX:+TraceClassLoading

主动使用

• Class只有在必须要首次使用的时候才会被装载，Java虚拟机不会无条件地装载Class类型。Java虚拟机规定，一个类或接口在初次使用（主动使用）前，必须要进行初始化
• 主动使用只有下列几种情况，会对类进行初始化操作，而初始化操作之前的加载、验证、准备已经完成

实例化

当创建一个类的实例时，比如使用new关键字，或者通过反射、克隆、反序列化

静态方法

当调用类的静态方法时，即当使用了字节码invokestatic指令

静态字段

当使用类、接口的静态字段时（final修饰特殊考虑），比如，使用getstatic或者putstatic（赋值操作）指令

反射

当使用java.lang.reflect包中的方法反射类的方法时，如：Class.forName(“com.atguigu.java.Test”)

继承

• 初始化子类时，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化

• 当Java虚拟机初始化一个类时，要求它的所有父类都已经被初始化，但是这条规则并不适用于接口。

• 初始化一个类时，不会先初始化它所实现的接口（接口有default除外）

• 初始化一个接口时，不会先初始化它的父接口

• 一个父接口并不会因为它的子接口或者实现类的初始化而初始化，只有当程序首次使用特定接口的静态字段时，才会导致该接口的初始化

接口default方法

• 接口定义了default方法，那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化，该接口要在其之前被初始化

main方法

• 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类
• JVM启动的时候通过引导类加载器加载一个初始类,这个类在调用main方法之前被链接和初始化,这个方法的执行将依次导致所需的类的加载、链接、初始化

MethodHandle

当初次调用MethodHandle实例时，初始化该MethodHandle指向的方法所在的类。（涉及解析REF getStatic、REF_putStatic、REF invokeStatic方法句柄对应的类）

被动使用

• 除以上外情况外，其他情况都是被动使用
• 被动使用不会引起类的初始化

访问父类静态字段

当通过子类引用父类的静态变量，不会导致子类初始化，只有真正声明这个字段的类才会被初始化

数组定义

通过数组定义类引用，不会触发此类的初始化

引用常量

引用常量不会触发此类或接口的初始化（常量在链接阶段就已经被显式赋值）

loadClass方法

调用ClassLoader类的loadClass()方法加载一个类，并不是对类的主动使用，不会导致类的初始化