類加載機(jī)制

虛擬機(jī)把描述類的數(shù)據(jù)從 Class 文件加載到內(nèi)存，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，轉(zhuǎn)換解析，初始化，最終形成能被虛擬機(jī)直接使用的 Java 類型，這就是虛擬機(jī)的類加載機(jī)制。

類加載的時(shí)機(jī)

類從被加載到虛擬機(jī)開(kāi)始，到卸載出內(nèi)存為止，整個(gè)生命周期包括：

加載，驗(yàn)證，準(zhǔn)備，解析，初始化，使用，卸載

類加載.png

其中加載，驗(yàn)證，準(zhǔn)備，初始化，卸載這 5 個(gè)階段順序是確定的，類加載過(guò)程必須按照這種順序按部就班的開(kāi)始，而解析階段則不一定，解析階段在某些情況下可以在初始化階段之后再開(kāi)始，這是為了支持java語(yǔ)言的運(yùn)行時(shí)綁定（動(dòng)態(tài)綁定/晚期綁定）。

1 加載

加載階段主要完成 3 件事情：

1. 通過(guò)類的全限定名來(lái)獲取此類的二進(jìn)制字節(jié)流。
2. 將這個(gè)字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
3. 在內(nèi)存中生成一個(gè)代表這個(gè)類的 java.lang.Class 對(duì)象，作為這個(gè)類的各種數(shù)據(jù)在方法區(qū)的訪問(wèn)入口。

2 驗(yàn)證

目的：確保 Class 文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并且不會(huì)損害虛擬機(jī)自身的安全。

1. 文件格式校驗(yàn)：字節(jié)流是否符合 Class 文件格式的規(guī)范，并能被當(dāng)前版本的虛擬機(jī)處理。
2. 元數(shù)據(jù)校驗(yàn)：字節(jié)碼描述的信息進(jìn)行語(yǔ)義分析，保證其描述的信息符合 Java 語(yǔ)言規(guī)范的要求。
3. 字節(jié)碼校驗(yàn)：通過(guò)數(shù)據(jù)流和控制流分析，確定程序語(yǔ)義是合法的，符合邏輯的。在第二階段對(duì)元數(shù)據(jù)信息中的數(shù)據(jù)類型做完校驗(yàn)后，這個(gè)階段將對(duì)類的方法體進(jìn)行校驗(yàn)分析，保證被校驗(yàn)的類的方法在運(yùn)行時(shí)不會(huì)做出危害虛擬機(jī)的安全事件。
4. 符號(hào)引用校驗(yàn)：這是最后一個(gè)階段的驗(yàn)證，它發(fā)生在虛擬機(jī)將符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用的時(shí)候（解析階段中發(fā)生該轉(zhuǎn)化，后面會(huì)有講解），主要是對(duì)類自身以外的信息（常量池中的各種符號(hào)引用）進(jìn)行匹配性的校驗(yàn)。

3 準(zhǔn)備

準(zhǔn)備階段是正式為類變量分配內(nèi)存并設(shè)置類變量初始值的階段，這些內(nèi)存都將在方法區(qū)中分配。

對(duì)于該階段有以下幾點(diǎn)需要注意：

1. 這時(shí)候進(jìn)行內(nèi)存分配的僅包括類變量（static），而不包括實(shí)例變量，實(shí)例變量會(huì)在對(duì)象實(shí)例化時(shí)隨著對(duì)象一塊分配在Java堆中。

2. 這里所設(shè)置的初始值通常情況下是數(shù)據(jù)類型默認(rèn)的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代碼中被顯式地賦予的值。

   假設(shè)一個(gè)類變量的定義為：public static int value = 3;

   那么變量 value 在準(zhǔn)備階段過(guò)后的初始值為 0，而不是 3，因?yàn)檫@時(shí)候尚未開(kāi)始執(zhí)行任何 Java 方法，而把 value 賦值為 3 的 putstatic 指令是在程序編譯后，存放于類構(gòu)造器 <clinit>() 方法之中的，所以把value 賦值為 3 的動(dòng)作將在初始化階段才會(huì)執(zhí)行。

   這里還需要注意如下幾點(diǎn)：

   • 對(duì)基本數(shù)據(jù)類型來(lái)說(shuō)，對(duì)于類變量（static）和全局變量，如果不顯式地對(duì)其賦值而直接使用，則系統(tǒng)會(huì)為其賦予默認(rèn)的零值，而對(duì)于局部變量來(lái)說(shuō)，在使用前必須顯式地為其賦值，否則編譯時(shí)不通過(guò)。
   • 對(duì)于同時(shí)被 static 和 final 修飾的常量，必須在聲明的時(shí)候就為其顯式地賦值，否則編譯時(shí)不通過(guò)；而只被 final 修飾的常量則既可以在聲明時(shí)顯式地為其賦值，也可以在類初始化時(shí)顯式地為其賦值，總之，在使用前必須為其顯式地賦值，系統(tǒng)不會(huì)為其賦予默認(rèn)零值。
   • 對(duì)于引用數(shù)據(jù)類型 reference 來(lái)說(shuō)，如數(shù)組引用、對(duì)象引用等，如果沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行顯式地賦值而直接使用，系統(tǒng)都會(huì)為其賦予默認(rèn)的零值，即 null。
   • 如果在數(shù)組初始化時(shí)沒(méi)有對(duì)數(shù)組中的各元素賦值，那么其中的元素將根據(jù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型而被賦予默認(rèn)的零值。

   數(shù)據(jù)類型	默認(rèn)零值	數(shù)據(jù)類型	默認(rèn)零值
   int	0	boolean	false
   long	0L	float	0.0f
   short	(short) 0	double	0.0d
   char	'\u000'	reference	null
   byte	(byte) 0

3. 如果類字段的字段屬性表中存在 ConstantValue 屬性，即同時(shí)被 fina l和 static 修飾，那么在準(zhǔn)備階段變量 value 就會(huì)被初始化為 ConstValue 屬性所指定的值。

假設(shè)上面的類變量value被定義為： public static final int value = 3；

編譯時(shí) Javac 將會(huì)為 valu e生成 ConstantValue 屬性，在準(zhǔn)備階段虛擬機(jī)就會(huì)根據(jù) ConstantValue 的設(shè)置將 value 賦值為3。我們可以理解為 static final 常量在編譯期就將其結(jié)果放入了調(diào)用它的類的常量池中。

4 解析

解析階段是虛擬機(jī)將常量池中的符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用的過(guò)程。

• 符號(hào)引用：符號(hào)引用以一組符號(hào)來(lái)描述所引用的目標(biāo)，符號(hào)可以是任何形式的字面量，只要使用時(shí)能無(wú)歧義地定位到目標(biāo)即可。符號(hào)引用與虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存布局無(wú)關(guān)，引用的目標(biāo)并不一定已經(jīng)加載到了內(nèi)存中。
• 直接引用：直接引用可以是直接指向目標(biāo)的指針、相對(duì)偏移量或是一個(gè)能間接定位到目標(biāo)的句柄。直接引用是與虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存布局相關(guān)的，同一個(gè)符號(hào)引用在不同虛擬機(jī)實(shí)例上翻譯出來(lái)的直接引用一般不會(huì)相同。如果有了直接引用，那說(shuō)明引用的目標(biāo)必定已經(jīng)存在于內(nèi)存之中了。

前面說(shuō)解析階段可能開(kāi)始于初始化之前，也可能在初始化之后開(kāi)始，虛擬機(jī)會(huì)根據(jù)需要來(lái)判斷，到底是在類被加載器加載時(shí)就對(duì)常量池中的符號(hào)引用進(jìn)行解析（初始化之前），還是等到一個(gè)符號(hào)引用將要被使用前才去解析它（初始化之后）。

對(duì)同一個(gè)符號(hào)引用進(jìn)行多次解析請(qǐng)求時(shí)很常見(jiàn)的事情，虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)可能會(huì)對(duì)第一次解析的結(jié)果進(jìn)行緩存（在運(yùn)行時(shí)常量池中記錄直接引用，并把常量標(biāo)示為已解析狀態(tài)），從而避免解析動(dòng)作重復(fù)進(jìn)行。

解析動(dòng)作主要針對(duì)類或接口、字段、類方法、接口方法四類符號(hào)引用進(jìn)行，分別對(duì)應(yīng)于常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info四種常量類型。

1. 類或接口的解析：判斷所要轉(zhuǎn)化成的直接引用是對(duì)數(shù)組類型，還是普通的對(duì)象類型的引用，從而進(jìn)行不同的解析。

2. 字段解析：對(duì)字段進(jìn)行解析時(shí)，會(huì)先在本類中查找是否包含有簡(jiǎn)單名稱和字段描述符都與目標(biāo)相匹配的字段，如果有，則查找結(jié)束；如果沒(méi)有，則會(huì)按照繼承關(guān)系從上往下遞歸搜索該類所實(shí)現(xiàn)的各個(gè)接口和它們的父接口，還沒(méi)有，則按照繼承關(guān)系從上往下遞歸搜索其父類，直至查找結(jié)束，查找流程如下圖所示：

   img

   class Super{  
       public static int m = 11;  
       static{  
           System.out.println("執(zhí)行了super類靜態(tài)語(yǔ)句塊");  
       }  
   }  
   class Father extends Super{  
       public static int m = 33;  
       static{  
           System.out.println("執(zhí)行了父類靜態(tài)語(yǔ)句塊");  
       }  
   }  
   class Child extends Father{  
       static{  
           System.out.println("執(zhí)行了子類靜態(tài)語(yǔ)句塊");  
       }  
   }  
   public class StaticTest{  
       public static void main(String[] args){  
           System.out.println(Child.m);  
       }  
   } 
   執(zhí)行了super類靜態(tài)語(yǔ)句塊
   執(zhí)行了父類靜態(tài)語(yǔ)句塊
   33
   //如果注釋掉Father類中對(duì)m定義的那一行，則輸出結(jié)果如下：
   執(zhí)行了super類靜態(tài)語(yǔ)句塊
   11
   
   static變量發(fā)生在靜態(tài)解析階段，也即是初始化之前，此時(shí)已經(jīng)將字段的符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為了內(nèi)存引用，也便將它與對(duì)應(yīng)的類關(guān)聯(lián)在了一起，由于在子類中沒(méi)有查找到與m相匹配的字段，那么m便不會(huì)與子類關(guān)聯(lián)在一起，因此并不會(huì)觸發(fā)子類的初始化。
   最后需要注意：理論上是按照上述順序進(jìn)行搜索解析，但在實(shí)際應(yīng)用中，虛擬機(jī)的編譯器實(shí)現(xiàn)可能要比上述規(guī)范要求的更嚴(yán)格一些。如果有一個(gè)同名字段同時(shí)出現(xiàn)在該類的接口和父類中，或同時(shí)在自己或父類的接口中出現(xiàn)，編譯器可能會(huì)拒絕編譯。如果對(duì)上面的代碼做些修改，將Super改為接口，并將Child類繼承Father類且實(shí)現(xiàn)Super接口，那么在編譯時(shí)會(huì)報(bào)出如下錯(cuò)誤：
   StaticTest.java:24: 對(duì) m 的引用不明確，F(xiàn)ather 中的 變量 m 和 Super 中的 變量 m 都匹配
   System.out.println(Child.m);
   

3. 類方法解析：對(duì)類方法的解析與對(duì)字段解析的搜索步驟差不多，只是多了判斷該方法所處的是類還是接口的步驟，而且對(duì)類方法的匹配搜索，是先搜索父類，再搜索接口。

4. 接口方法解析：與類方法解析步驟類似，知識(shí)接口不會(huì)有父類，因此，只遞歸向上搜索父接口就行了。

5 初始化

初始化是類加載過(guò)程的最后一步，到了此階段，才真正開(kāi)始執(zhí)行類中定義的Java程序代碼。在準(zhǔn)備階段，類變量已經(jīng)被賦過(guò)一次系統(tǒng)要求的初始值，而在初始化階段，則是根據(jù)程序員通過(guò)程序指定的主觀計(jì)劃去初始化類變量和其他資源，或者可以從另一個(gè)角度來(lái)表達(dá)：初始化階段是執(zhí)行類構(gòu)造器<clinit>()方法的過(guò)程。

這里簡(jiǎn)單說(shuō)明下 <clinit>() 方法的執(zhí)行規(guī)則:

1. <clinit>() 方法是由編譯器自動(dòng)收集類中的所有類變量的賦值動(dòng)作和靜態(tài)語(yǔ)句塊中的語(yǔ)句合并產(chǎn)生的，編譯器收集的順序是由語(yǔ)句在源文件中出現(xiàn)的順序所決定的，靜態(tài)語(yǔ)句塊中只能訪問(wèn)到定義在靜態(tài)語(yǔ)句塊之前的變量，定義在它之后的變量，在前面的靜態(tài)語(yǔ)句中可以賦值，但是不能訪問(wèn)。

2. <clinit>() 方法與實(shí)例構(gòu)造器<init>() 方法（類的構(gòu)造函數(shù)）不同，它不需要顯式地調(diào)用父類構(gòu)造器，虛擬機(jī)會(huì)保證在子類的 <clinit>() 方法執(zhí)行之前，父類的 <clinit>() 方法已經(jīng)執(zhí)行完畢。因此，在虛擬機(jī)中第一個(gè)被執(zhí)行的<clinit>() 方法的類肯定是 java.lang.Object。

3. <clinit>() 方法對(duì)于類或接口來(lái)說(shuō)并不是必須的，如果一個(gè)類中沒(méi)有靜態(tài)語(yǔ)句塊，也沒(méi)有對(duì)類變量的賦值操作，那么編譯器可以不為這個(gè)類生成 <clinit>() 方法。

4. 接口中不能使用靜態(tài)語(yǔ)句塊，但仍然有類變量（final static）初始化的賦值操作，因此接口與類一樣會(huì)生成 <clinit>() 方法。但是接口魚(yú)類不同的是：執(zhí)行接口的 <clinit>() 方法不需要先執(zhí)行父接口的 <clinit>() 方法，只有當(dāng)父接口中定義的變量被使用時(shí)，父接口才會(huì)被初始化。另外，接口的實(shí)現(xiàn)類在初始化時(shí)也一樣不會(huì)執(zhí)行接口的 <clinit>() 方法。

5. 虛擬機(jī)會(huì)保證一個(gè)類的 <clinit>() 方法在多線程環(huán)境中被正確地加鎖和同步，如果多個(gè)線程同時(shí)去初始化一個(gè)類，那么只會(huì)有一個(gè)線程去執(zhí)行這個(gè)類的 <clinit>() 方法，其他線程都需要阻塞等待，直到活動(dòng)線程執(zhí)行 <clinit>() 方法完畢。如果在一個(gè)類的 <clinit>() 方法中有耗時(shí)很長(zhǎng)的操作，那就可能造成多個(gè)線程阻塞，在實(shí)際應(yīng)用中這種阻塞往往是很隱蔽的。

下面給出一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，以便更清晰地說(shuō)明如上規(guī)則：

class Father{  
    public static int a = 1;  
    static{  
        a = 2;  
    }  
}  
class Child extends Father{  
    public static int b = a;  
}  
public class ClinitTest{  
    public static void main(String[] args){  
        System.out.println(Child.b);  
    }  
}  
//執(zhí)行上面的代碼，會(huì)打印出2，也就是說(shuō)b的值被賦為了2。
首先在準(zhǔn)備階段為類變量分配內(nèi)存并設(shè)置類變量初始值，這樣 A 和 B 均被賦值為默認(rèn)值 0，而后再在調(diào)用<clinit>() 方法時(shí)給他們賦予程序中指定的值。當(dāng)我們調(diào)用 Child.b 時(shí)，觸發(fā) Child 的 <clinit>() 方法，根據(jù)規(guī)則2，在此之前，要先執(zhí)行完其父類Father的 <clinit>() 方法，又根據(jù)規(guī)則 1，在執(zhí)行 <clinit>() 方法時(shí)，需要按static語(yǔ)句或 static 變量賦值操作等在代碼中出現(xiàn)的順序來(lái)執(zhí)行相關(guān)的 static 語(yǔ)句，因此當(dāng)觸發(fā)執(zhí)行Father的<clinit>() 方法時(shí)，會(huì)先將 a 賦值為 1，再執(zhí)行 static 語(yǔ)句塊中語(yǔ)句，將a賦值為2，而后再執(zhí)行Child類的<clinit>() 方法，這樣便會(huì)將b的賦值為 2.
//如果我們顛倒一下Father類中“public static int a = 1;”語(yǔ)句和“static語(yǔ)句塊”的順序，程序執(zhí)行后，則會(huì)打印出1。
很明顯是根據(jù)規(guī)則1，執(zhí)行Father的<clinit>（）方法時(shí)，根據(jù)順序先執(zhí)行了static語(yǔ)句塊中的內(nèi)容，后執(zhí)行了“public static int a = 1;”語(yǔ)句。
另外，在顛倒二者的順序之后，如果在static語(yǔ)句塊中對(duì)a進(jìn)行訪問(wèn)（比如將a賦給某個(gè)變量），在編譯時(shí)將會(huì)報(bào)錯(cuò)，因?yàn)楦鶕?jù)規(guī)則1，它只能對(duì)a進(jìn)行賦值，而不能訪問(wèn)。