深入了解JAVA技术(8)类加载的过程

类加载的时机

类从被加载到虚拟机中开始，到卸载出内存为止，生命周期：加载 验证 准备 解析 初始化 使用 卸载
有五种情况必须立即对类进行初始化：

1. 遇到 new getstatic putstatic invokestatic 字节码指令 如果类没有进型初始化 就会触发其初始化
2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候， 如果类没有进型初始化 就会触发其初始化
3. 当初始化一个类的时候 如果父类没有进行初始化 就先触发其父类的初始化
4. 当虚拟机启动时 用户需要指定一个要执行的主类 mian() 虚拟机先初始化这个主类
5. java.lang.invoke.methodhandle 实例最后解析结果 REF_getStatic REF_putStatic REF_invokeStatic 方法句柄 这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化 先触发其初始化

类加载的过程

加载：加载是类加载过程的一个阶段
在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情

1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流
2. 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
3. 在内存中生成一个代表这个类的Java.lang.class对象 ，作为方法区这个类的各种数据的访问入口
   一个非数组类的加载阶段，开发人员可以通过重写一个类加载器的loadClass()方法
   一个数组类的加载阶段，数组类本身不通过类加载器创建，由Java虚拟机直接创建，但两者仍有密切关系。 最终还是要靠类加载器去创建
   一个数组类创建过程规则：
   数组的组件类型是引用类型，递归采用加载过程去加载这个组件类型，数组将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识。
   数组类型不是引用类型（int[]数组），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联
   数组类的可见性与他的组件类型的可见性一致，组件类型不是引用类型，数组类的可见性 默认为public
   加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流 按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。在内存中实例化一个java.lang.class类的对象，这个对象作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口
   验证：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
   验证阶段大致上会完成下面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
   文件格式验证：保证输入的字节流能正确的解析并储存于方法区之内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。
   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储存
   是否以魔数 0xCAFEBABE开头
   主，次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内
   常量池的常量中是否由不被支持的常量类型（检查常量tag标志）
   指向常量的各种索引值中是否指向不存在的常量或不符合类型的常量
   CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否由不符合UTF8编码的数据
   class文件中各个部分及文件本身是否又被删除的或附加的其他信息
   还有其他的
   元数据验证：对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。
   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）
   这个类不是抽象类 是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法
   类中的字段 方法是否与父类产生矛盾（例如覆盖了父类的final字段 出现不符合规则的方法重载 方法参数一致 返回类型不同）
   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，再一个对元数据信息中的数据类型做完校验后，这个阶段对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行是不会做出危害虚拟机安全的事件
   实例：
   保证任意时刻操作栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作 列如在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载本地变量表
   保证跳转指令不会跳转到方法体外的字节码指令上
   保证方法体中的类型转换是有效的 把一个子类对象赋值给父类数据类型是安全，如果把父类对象赋值给子类数据类型，或者赋值给与它毫无继承关系，完全不相干的一个数据类型是不安全
   符号引用验证：确保解析动作能正常执行，无法通过符号引用验证，抛出异常
   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以及简单名称所描述的方法和字段
   符号引用中的类 字段 方法的访问性（private protected public default）是否可以被当前类访问
   在这些验证阶段是一个非常重要的，但不一定必要的阶段，在运行的全部代码，有可能被第三方反复使用与验证过，可以通过参数 -Xverify:none 关闭
   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去中进行分配。
   这里面的内存分配仅包括类变量（被static修饰的变量），不包括实例变量，实例变量将在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。
   例如：public static int value =123;
   value 在准备阶段过后初始值为0 不是123 因为这时候没有执行任何Java方法，value赋值为123的putstatic指令是被程序编译后，存放于类构造器 clinit方法之中。
   基本数据类型的零值

数据类型	零值	数据类型	零值
int	0	boolean	false
long	0L	float	0.0f
short	0	double	0.00d
char	‘\u0000’	reference	null
byte	0

在一些特殊情况下，如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那再准备阶段变量value 会被初始化为ConstantValue属性所指定的值。private static final int values = 123;他的ConstantValue属性所指定的值为123
解析：解析阶段是虚拟机将常量池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。符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的class文件格式中。
直接引用：直接引用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。直接引用和虚拟机实现的内存布局相关的。有直接引用，那么目标肯定在内存中存在
虚拟机规范之中并未规定解析阶段发生的具体时间，只要执行 anewarray checkcast getfield getstatic instanceof invokedynamic invokeinterface invokespecial invokestatic invokevirtual ldc ldc_w multianewarray new putfield putstatic用于操作符号引用的字节码指令之前，先对他们所使用的符号引用进行解析。虚拟机实现可以根据需要来判断到底是在类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析。虚拟机实现根据需要来判断到底是在类被加载器时还是在等一个符号引用将要被使用前才去解析他
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，语法句柄，调用点限定符，分别对应于常量池的CONSTANT_Clas_info,CONSTANT_Fieldref_info,CONSTANT_Methodref_info,CONSTANT_InterfaceMethodref_info,CONSTANT_MethodType_info,CONSTANT_MethodHandle_info，CONSTANT_InvokeDynamic_info 7种常量类型。

1. 类或接口的解析
   假如当前代码所处的类为D 吐过要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用
   1.如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象。N的描述符会是”[Ljava/lang/Integer“的形式，需要加载的元素类型就是”java.lang.Integer“，由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。
   2.如果C不是一个数组类型，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。在加载过程中，由于元数据验证，字节码验证的需要，触发其他相关类的加载动作，加载这个类的父类或实现的接口 一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就宣告失败
   3.如果上面的步骤没有异常，那么C在虚拟机种实际上已经成为一个有效的类或接口，解析完成之前还要进行符号引用引用验证，确认D是否具备对C的访问权限

2. 字段解析
   解析一个未被解析过的字段符号引用，先对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，就是字段所属的类或接口的符号引用。无异常时将字段所属的类或接口用C表示，异常时导致字段符号引用解析的失败。
   对C进行后续字段的搜索步骤：
   1.C本身包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，返回这个字段的直接引用，查找结束。
   2.C中实现了接口，按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，接口包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，返回这个字段的直接引用，查找结束。
   3.C不是java.lang.Object 按照继承关系从下往上递归搜索其父类，父类包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，返回这个字段的直接引用，查找结束。
   4.查找失败，抛出异常

3. 类方法解析
   与字段解析一样，解析成功，用C表示这个类
   类方法搜索步骤：
   1.类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class_index中索引的C是个这个
   2.在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有，返回这个方法的直接引用，查找结束。
   3.在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法 如果有，返回这个方法的直接引用，查找结束。
   4.在类C实现的接口列表及他们的的父接口中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法 如果匹配说明C时一个抽象类，查找结束 抛出异常
   5.宣告方法查找失败 抛出异常
   查找过程成功返回了直接引用，会对方法进行权限验证，如果不具备 抛出异常

4. 接口方法解析
   需要先解析接口方法表的class_index项中的索引的方法所属的类或接口的符号引用，解析成功后，用C表示这个接口
   接口方法搜索步骤：
   1.接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口 抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常
   2.接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，有直接引用，查找结束
   3.接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object 类为止，看是否有简单名称和描述符都有与目标相匹配的方法，有直接引用，查找结束
   4.方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常
   初始化：
   类加载过程的最后一步，之前在加载阶段用户应用程序通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制，到了初始化阶段，真正开始执行类中定义的Java程序代码。
   在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，初始化阶段，程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，也就是执行类构造器clinit() 方法过程
   clinit() 方法过程中的特点
   1.clinit()方法时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中的语句合并产生的，编译器收集的顺序时由语句在源文件中出现的顺序决定的，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，在前的静态语句块可以赋值，但不能访问
   2.clinit()方法与类的构造器函数不同，不需要显式的调用父类构造器，虚拟机保证在子类的clinit()方法执行之前，父类的clinit()方法已经执行完
   3.父类clinit()方法先执行，父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作
   4.clinit()方法不是必须执行，如果没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，可以不执行
   5.接口中不能使用静态语句块，仍然有变量初始化的赋值操作，执行接口的clinit()方法不需要先执行父接口的clinit()方法，只有父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的clinit()方法。
   6.虚拟机保证一个类的clinit()方法在多线程环境中被正确的加锁，同步。多个线程同时去初始化一个类，只会有一个线程去执行这个类的clinit()方法，其他线程会堵塞