Java类加载过程，以及静态变量和静态常量赋值

wind壕

已于 2024-02-06 14:37:36 修改

阅读量1.1k

点赞数 12

文章标签： java 开发语言 jvm

于 2024-02-05 14:38:58 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_40810645/article/details/136037242

版权

1. 过程一：Loading（加载）阶段

1.1 加载（Loading）阶段

1.2. 二进制流的获取方式

1.3. 类模型与 Class 实例的位置

2.4. 数组类的加载

2. 过程二：Linking（链接）阶段

2.1. 环节 1：链接阶段之 Verification（验证）

2.2. 环节 2：链接阶段之 Preparation（准备）

2.3. 环节 3：链接阶段之 Resolution（解析）

3. 过程三：Initialization（初始化）阶段

3.1. static 与 final 的搭配问题

3.2. ()的线程安全性

3.3. 类的初始化情况：主动使用 vs 被动使用

4. 过程四：类的 Using（使用）

5. 过程五：类的 Unloading（卸载）

5.1. 类、类的加载器、类的实例之间的引用关系

JVM中类的加载过程分为加载（Loading）、链接（Linking）、初始化（Initialization）,其中链接（Linking）阶段又分为验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution），下面主要分析各个阶段主要做了哪些事情。

1. 过程一：Loading（加载）阶段

1.1 加载（Loading）阶段

加载的理解：

所谓加载，简而言之就是将Java类的字节码文件加载到机器内存中，并在内存（方法区）中构建出Java类的原型--类模板对象，并在堆区生成相应的Class实例对象。所谓类模板对象，其实就是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获取到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。

加载完成的操作：

加载阶段，简而言之，查找并加载类的二进制数据，生成Class的实例。

在加载类时，Java虚拟机必须完成以下三件事情：

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生成方法区内的数据结构。（Java类模型\模板数据）
在堆区创建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。

1.2. 二进制流的获取方式

对于类的二进制数据流，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（最常见）
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。

如果输入数据不是 ClassFile 的结构，则会抛出 ClassFormatError。

1.3. 类模型与 Class 实例的位置

类模型的位置

加载的类在 JVM 中创建相应的类结构，类结构会存储在方法区（JDKl.8 之前：永久代；J0Kl.8 及之后：元空间）。

Class 实例的位置

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。

2.4. 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，但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（下述简称 A）的过程：

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。

2. 过程二：Linking（链接）阶段

2.1. 环节 1：链接阶段之 Verification（验证）

当类加载到系统后，就开始链接操作，验证是链接操作的第一步。

它的目的是保证加载的字节码是合法、合理并符合规范的。

验证的步骤比较复杂，实际要验证的项目也很繁多，大体上 Java 虚拟机需要做以下检查，如图所示。

整体说明：

验证的内容则涵盖了类数据信息的格式验证、语义检查、字节码验证，以及符号引用验证等。

其中格式验证会和加载阶段一起执行。验证通过之后，类加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。

链接阶段的验证虽然拖慢了加载速度，但是它避免了在字节码运行时还需要进行各种检查。

具体说明：

格式验证：是否以魔数 0XCAFEBABE 开头，主版本和副版本号是否在当前 Java 虚拟机的支持范围内，数据中每一个项是否都拥有正确的长度等。
语义检查：Java 虚拟机会进行字节码的语义检查，但凡在语义上不符合规范的，虚拟机也不会给予验证通过。比如：
- 是否所有的类都有父类的存在（在 Java 里，除了 object 外，其他类都应该有父类）
- 是否一些被定义为 final 的方法或者类被重写或继承了
- 非抽象类是否实现了所有抽象方法或者接口方法
- 是否存在不兼容的方法（比如方法的签名除了返回值不同，其它都一样，这种方法会让虚拟机无从下手调度；abstract情况下的方法，就不能是final）
字节码验证：Java 虚拟机还会进行字节码验证，字节码验证也是验证过程中最为复杂的一个过程。它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
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。但遗憾的是，100%准确地判断一段字节码是否可以被安全执行是无法实现的，因此，该过程只是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。但是，如果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。

在前面3次检查中，已经排除了文件格式错误、语义错误以及字节码的不正确性。但是依然不能确保类是没有问题的。
符号引用的验证：校验器还将进行符号引用的验证。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。因此，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，并且当前类是否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 NoClassDefFo