Java虚拟机笔记（一）：类加载机制

一、概述

虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。

二、类加载的生命周期

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。

其中：验证、准备、解析3个部分统称为连接（Linking）。

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段不一定：

在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定），这里的 "按部就班开始"并不是链式进行，这些阶段通常是相互交叉地混合进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

三、类加载的过程

1. 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访问入口。

加载阶段完成之后，虚拟机外部的二进制字节流就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定义，虚拟机规范为规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象（并没有明确规定是在Java堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里面），这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。

加载阶段与连接阶段的部分内容是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，当这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

2.验证

验证是连接阶段的第一步，这阶段的目的是为了确保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。

4个检验动作：

1）文件格式验证

是否以魔数oxCAFEBABE开头
主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围内。
常量池的常量中是否有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有指向不存在的常量或不符合类型的常量。
CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。
Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的活附加的其他信息。
……

2）元数据验证

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）。
如果这个类不是抽象类，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，后者出现不符合规则的方法重载，例如方法参数都一致，当返回值类型去不同等）。
……

3）字节码验证

保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现类似这样的情况：在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量中。
保证跳转指令不会跳转带方法体以外的字节码指令上。
保证方法体中的类型转换是有效的，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，但是把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个数据类型，则是危险和不合法的。、
……

4）符号引用验证

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。
在制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）是否可被当前类访问。
……

3.准备

准备阶段是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区中进行分配。

说明：这时候进行内存分配的仅包括类变量（静态变量，即被static修饰的变量），而不包括实际变量，实际变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。

4.解析

虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，符合引用在Class文件中以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现。

♦ 符号引用（Symbolic References）

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。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以不同，但是他们能接收的符号引用必须都是一致的，因为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（Direct References）

直接引用可以是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。直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

5.初始化

执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码），初始化变量和其他资源。亦可以说是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

四、同类随笔

Java虚拟机笔记（五）：JVM中对象的分代

主要内容来自：《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践》