前言

了解類加載的過程，有利于在類初始化時(shí)進(jìn)行一些功能操作;

本文全面講解類加載過程;

一、類加載介紹

1、類加載生命周期

從類被加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中開始，到卸載出內(nèi)存為止，它的整個(gè)生命周期分為7個(gè)階段，加載(Loading)、驗(yàn)證(Verification)、準(zhǔn)備(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)、卸載(Unloading);

其中驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析三個(gè)部分統(tǒng)稱為連接;

2、類加載的過程

• 類加載的過程包括了加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化五個(gè)階段;
• 在這五個(gè)階段中，加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備和初始化這四個(gè)階段發(fā)生的順序是確定的，而解析階段則不一定，它在某些情況下可以在初始化階段之后開始，這是為了支持Java語言的運(yùn)行時(shí)綁定(也成為動(dòng)態(tài)綁定或晚期綁定);
• 另外注意這里的幾個(gè)階段是按順序開始，而不是按順序進(jìn)行或完成，因?yàn)檫@些階段通常都是互相交叉地混合進(jìn)行的，通常在一個(gè)階段執(zhí)行的過程中調(diào)用或激活另一個(gè)階段;

二、類加載過程詳解

類加載的全過程：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析和初始化五個(gè)階段所執(zhí)行的具體操作

1、加載階段

1.1、這在個(gè)階段，虛擬機(jī)要做的事情有如下三個(gè)：

通過一個(gè)類的全限定名來獲取定義這個(gè)類的二進(jìn)制字節(jié)流;

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);

在內(nèi)存中生成一個(gè)代表這個(gè)類的java.lang.Class對(duì)象，作為方法區(qū)這個(gè)類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口;

這里的二進(jìn)制字節(jié)流并不一定要從Class文件獲取，只要一段二進(jìn)制字節(jié)流符合Class文件的規(guī)范，都可以當(dāng)做一個(gè)Class文件，例如我們可以從jar包中獲取，從網(wǎng)絡(luò)中獲取，運(yùn)行時(shí)生成等，總之獲取Class文件的方式非常多。

1.2、這里需要注意的是通過一個(gè)類的全限定名來獲取定義這個(gè)類的二進(jìn)制字節(jié)流的動(dòng)作是有類加載器完成的，對(duì)于非數(shù)組類的加載，我們可以通過自定義類加載器加載來進(jìn)行控制。對(duì)于數(shù)組類就不行，因?yàn)樗皇峭ㄟ^類加載器創(chuàng)建的，而是由Java虛擬機(jī)直接創(chuàng)建的;

但數(shù)組類和非數(shù)組類也有很大的聯(lián)系，畢竟組成數(shù)組的元素就是非數(shù)組類(對(duì)于一維數(shù)組來說，而對(duì)于多維數(shù)組來說，可以遞歸加載)，非數(shù)組類的創(chuàng)建需要類加載器完成。加載創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組類的過程如下：

• 如果數(shù)組的元素類型是引用類型，就遞歸加載這個(gè)元素類型，這個(gè)數(shù)組將在加載該元素類型的類加載器的類名稱空間上被標(biāo)識(shí);
• 如果數(shù)組的元素類型不是引用類型(比如int[]數(shù)組)，Java虛擬機(jī)將會(huì)把數(shù)組標(biāo)記為與引導(dǎo)類加載器關(guān)聯(lián);
• 數(shù)組類的可見性與元素類型的可見性一致，如果元素類型是不引用類型，那么數(shù)組的可見性默認(rèn)是public;

2、驗(yàn)證階段

• 驗(yàn)證的目的是為了確保Class文件中的字節(jié)流包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，而且不會(huì)危害虛擬機(jī)自身的安全。不同的虛擬機(jī)對(duì)類驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)可能會(huì)有所不同，但大致都會(huì)完成以下四個(gè)階段的驗(yàn)證：文件格式的驗(yàn)證、元數(shù)據(jù)的驗(yàn)證、字節(jié)碼驗(yàn)證和符號(hào)引用驗(yàn)證;
• 文件格式的驗(yàn)證：驗(yàn)證字節(jié)流是否符合Class文件格式的規(guī)范，并且能被當(dāng)前版本的虛擬機(jī)處理，該驗(yàn)證的主要目的是保證輸入的字節(jié)流能正確地解析并存儲(chǔ)于方法區(qū)之內(nèi)。經(jīng)過該階段的驗(yàn)證后，字節(jié)流才會(huì)進(jìn)入內(nèi)存的方法區(qū)中進(jìn)行存儲(chǔ)，后面的三個(gè)驗(yàn)證都是基于方法區(qū)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的;
• 元數(shù)據(jù)驗(yàn)證：對(duì)類的元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行語義校驗(yàn)(其實(shí)就是對(duì)類中的各數(shù)據(jù)類型進(jìn)行語法校驗(yàn))，保證不存在不符合Java語法規(guī)范的元數(shù)據(jù)信息;
• 字節(jié)碼驗(yàn)證：該階段驗(yàn)證的主要工作是進(jìn)行數(shù)據(jù)流和控制流分析，對(duì)類的方法體進(jìn)行校驗(yàn)分析，以保證被校驗(yàn)的類的方法在運(yùn)行時(shí)不會(huì)做出危害虛擬機(jī)安全的行為;
• 符號(hào)引用驗(yàn)證：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)備階段

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，這些變量所使用的內(nèi)存都將在方法區(qū)中進(jìn)行分配。這個(gè)階段中需要注意兩點(diǎn)，首先，這個(gè)時(shí)候進(jìn)行內(nèi)存分配的僅包括類變量(被static修飾的變量)而不包括實(shí)例變量，實(shí)例變量就在對(duì)象實(shí)例化時(shí)隨著對(duì)象一起分配在Java堆中，其次，這里所說的初始值通常是數(shù)據(jù)類型的零值;

4、解析階段

• 解析階段是虛擬機(jī)將常量池中的符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用的過程。在Class類文件結(jié)構(gòu)一文中已經(jīng)比較過了符號(hào)引用和直接引用的區(qū)別和關(guān)聯(lián)，這里不再贅述。前面說解析階段可能開始于初始化之前，也可能在初始化之后開始，虛擬機(jī)會(huì)根據(jù)需要來判斷，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;

下面是四中符號(hào)符號(hào)引用的解析過程：

(1) 類或接口的解析

假設(shè)當(dāng)前代碼處于類D中，如果要把一個(gè)從未解析過的符號(hào)引用N解析為一個(gè)類或接口C的直接引用，虛擬機(jī)將經(jīng)歷如下的過程：

• 如果C不是一個(gè)數(shù)組類型，那虛擬機(jī)將會(huì)把代表N的全限定名傳遞給D的類加載器區(qū)加載這個(gè)類。在加載過程中，由于元數(shù)據(jù)驗(yàn)證、字節(jié)碼驗(yàn)證的需要，又可能觸發(fā)其他相關(guān)類的加載，比如這個(gè)類的父類或?qū)崿F(xiàn)的接口。如果加載過程出現(xiàn)異常，解析過程就失敗;
• 如果C是一個(gè)數(shù)組類型，并且數(shù)組的元素類型是對(duì)象，就會(huì)按照第一點(diǎn)加載數(shù)組元素類型。接著由虛擬機(jī)生成一個(gè)代表著數(shù)組維度和元素的數(shù)組對(duì)象;
• 如果上面的步驟沒有異常，那么C在虛擬機(jī)中實(shí)際上已經(jīng)成為一個(gè)有效的類或接口了，但在解析完成之前還要進(jìn)行符號(hào)引用驗(yàn)證，確認(rèn)D是否具備對(duì)C的訪問權(quán)限;

(2)字段解析

要解析一個(gè)未被解析過的字段符號(hào)引用，首先將會(huì)對(duì)字段表內(nèi)class_index項(xiàng)中索引的CONSTANT_Class_info符號(hào)引用進(jìn)行解析，也就是字段所屬的類或借口的符號(hào)引用。如果解析這個(gè)類或接口時(shí)發(fā)生異常，都會(huì)導(dǎo)致解析字段的失敗。如果解析成功，才會(huì)繼續(xù)解析這個(gè)字段。具體的規(guī)則如下：

• 如果類或接口C本身就包含了簡單名稱和字段描述符都與目標(biāo)匹配的字段，則返回這個(gè)字段的直接引用，查找結(jié)束;
• 否則，如果在C中實(shí)現(xiàn)了接口，將會(huì)按照繼承關(guān)系從下到上遞歸搜索各個(gè)接口和它的父接口，如果接口中包含了簡單名稱和字段描述符都與目標(biāo)匹配的字段，則返回這個(gè)字段的直接引用，查找結(jié)束;
• 否則，如果C不是Object的話，將會(huì)按照繼承關(guān)系從下到上遞歸搜索父類，如果父類中包含了簡單名稱和字段描述符都與目標(biāo)匹配的字段，返回這個(gè)字段的直接引用，查找結(jié)束;
• 否則，查找失敗;
• 之后，還會(huì)對(duì)返回的字段進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證，如果不具備對(duì)字段的訪問權(quán)限，將拋出java.lang.IllegalAccessError異常;

(3)類方法解析

類方法解析的第一個(gè)步驟和字段解析一樣，也需要先解析出類方法表的class_index項(xiàng)中索引的方法所屬的類或接口的符號(hào)引用，如果解析成功，按照如下步驟繼續(xù)(同樣以C來表示這個(gè)類)：

• 類方法和接口方法符號(hào)引用的常量類型定義是分開的，如果在類方法表中發(fā)現(xiàn)class_index中索引的C是一個(gè)接口，直接失敗;
• 然后，會(huì)在類C中查找這個(gè)方法;
• 否則，在類C的父類中遞歸查找這個(gè)方法;
• 否則，在類C實(shí)現(xiàn)的接口列表中遞歸查找這個(gè)方法。如果找到一個(gè)匹配的方法，說明類C是一個(gè)抽象類，查找結(jié)束，拋出java.lang.AbstractMethodError異常;
• 否則，查找失敗，拋出java.lang.NoSuchMethodError異常;
• 同樣，成功返回后還要進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證;

(4)接口方法解析

接口方法也要解析接口方法表的class_index所屬的類或接口引用，如果解析成功，用C表示這個(gè)類或接口，虛擬機(jī)按照如下的規(guī)則搜索：

• 與類方法解析不同，如果在接口方法表中發(fā)現(xiàn)class_index是一個(gè)類而不是接口，直接拋出java.lang.IncompatibleClassChangeError異常;
• 否則，在接口C中查找這個(gè)方法;
• 否則，在接口C的父接口中遞歸查找;
• 否則，查找失敗，拋出java.lang.NoSuchMethodError異常;
• 返回成功后不會(huì)驗(yàn)證權(quán)限，因?yàn)榻涌诘姆椒ǘ际莗ublic的;

5、初始化階段

類初始化階段是類加載過程的最后一步，前面的類加載過程中，除了在加載階段用戶應(yīng)用程序可以通過自定義類加載器參與之外，其余動(dòng)作完全由虛擬機(jī)主導(dǎo)和控制。到了初始化階段，才真正開始執(zhí)行類中定義的Java程序。

前面已經(jīng)知道，在準(zhǔn)備階段變量已經(jīng)賦值過一次系統(tǒng)初始值了，而在初始化階段，則會(huì)根據(jù)程序員通過程序制定的主觀計(jì)劃去初始化類變量和其它內(nèi)容。即，初始化階段是執(zhí)行類構(gòu)造器<Test>()方法的過程。下面是<Test>()方法的特點(diǎn)：

• <Test>()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)語句塊中的語句合并產(chǎn)生的，編譯器收集的順序由語句塊在源文件中的順序決定的，靜態(tài)語句塊中只能訪問到定義在靜態(tài)語句塊之前的變量，定義在之后的變量不能訪問，但能賦值;
• <Test>()方法與類構(gòu)造器<Test>()不同，它不需要顯式調(diào)用父類的<Test>()方法，虛擬機(jī)保證在子類<Test>()方法執(zhí)行之前，父類的<Test>()方法已經(jīng)執(zhí)行完畢;
• 由于父類的<Test>()方法先執(zhí)行，意味著父類中定義的靜態(tài)語句塊要優(yōu)先于子類的變量賦值操作;
• <Test>()方法對(duì)于類或接口來說并不是必須的，如果一個(gè)類中沒有靜態(tài)語句塊，也沒有對(duì)變臉的賦值操作，那么編譯器就不會(huì)生成<Test>()方法;
• 接口中不能使用靜態(tài)語句塊，但仍然有變量初始化的賦值操作，因此接口與類一樣都會(huì)生成<Test>()方法。但接口與類不同的是，執(zhí)行接口的<Test>()方法不需要先執(zhí)行父接口的<Test>()方法。即，只有使用一個(gè)接口中的變量時(shí)，才會(huì)執(zhí)行這個(gè)接口的<Test>()方法;
• 虛擬機(jī)會(huì)保證一個(gè)類的<Test>()方法在多線程環(huán)境下中被正確的加鎖、同步，如果多個(gè)線程同時(shí)去初始化一個(gè)類，那么只有一個(gè)線程會(huì)去執(zhí)行這個(gè)類的<Test>()方法，其他線程都需要阻塞等待，直到活動(dòng)線程執(zhí)行<Test>()方法完畢;

總結(jié)

類加載這類的文章會(huì)陸續(xù)出幾篇，希望大家喜歡！

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