类加载机制（卷一）

类加载机制。

加载时机

类的生命周期。其中3、4、5统称连接（Linking）。

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st=>start: 开始
op1=>operation: 加载（Loading）
op2=>operation: 验证（Verification）
op3=>operation: 准备（Preparation）
op4=>operation: 解析（Resolution）
op5=>operation: 初始化（Initialization）
op6=>operation: 使用（Using）
op7=>operation: 卸载（Unloading）
e=>end: 结束

st->op1->op2->op3->op4->op5->op6->op7->e

有且只有以下5种情况，称为主动引用，虚拟机需要立即开始类的初始化阶段。

  1. 收到new、getstatic、putstatic、invokestatic指令时，如果该类未进行初始化则进行。
  2. 使用反射对类进行调用的时候，如果该类未进行初始化则进行。
  3. 对一个类进行初始化，如果父类未进行初始化，如果父类未进行初始化则进行。（如果是接口，并没有该要求。）
  4. 遇到main方法所在的那个类，先对该类进行初始化则进行。
  5. jdk1.7中的动态语言支持时。

而被动引用如通过数组定义引用类、子类引用父类静态字段都不会触发类的初始化。

类加载过程

类加载过程具体分为5个，分别为加载、验证、准备、解析、初始化。

0x00 加载阶段

  • 通过类的全限定名获取二进制字节流。
  • 该字节流的静态存储结构转换为运行时数据结构。
  • 在内存中生成该类的java.lang.Class对象，作为方法区中该类各数据的访问入口。存储在方法区中。

0x01 验证阶段

该阶段确保Class文件格式符合虚拟机要求，起到保护虚拟机自身安全。虽然Java语言本身相对安全，如果发生语法错误，大部分可以在编译阶段检测。但是由于Class文件来源可以是任意的，甚至可以直接使用十六进制编辑器直接编写，所以，需要该步骤保证本身安全。

大致分为以下四个检测内容：文件格式、元数据、字节码、符号引用。

  1. 文件格式：该检测在二进制字节流时进行，通过验证后，字节流才进入内存的方法区存储。
  2. 元数据：保证符合Java语言规范。如（所有类都有父类，除了Object；是否继承了final修饰的类等等）
  3. 字节码：确保程序语义是合法、符合逻辑的。jdk1.6之后添加StackMapTable表，只需要检测该表的属性是否合理即可。
  4. 符号引用：确保解析动作能正常完成。

0x10 准备阶段

准备阶段是为类变量（被static修饰）分配内存并设置类变量初始值（零值），使用的内存在方法区中申请。例如，public static int a = 123；在准备阶段只会设置为零值0，而在初始化阶段才会设置为123。在一些特殊情况下，如类字段中属性表含有ConstantValue，那么在准备阶段就会赋值为123，加final即可。

0x11 解析阶段

解析是将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。

  • 符号引用：一组符号用来描述所引用的目标，可以是任何形式的字面量。
  • 直接引用：可以是直接指向目标的指针、相对偏移量、间接定位的句柄。
  1. 类或者接口的解析：如果类或接口（C）不是数组类型，将符号引用（N）的全限定名传递给当前所在类（D）的类加载器去加载C；如果C是数组类型，且元素类型为对象，就按前者规则去加载，并由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。
  2. 字段解析：先去解析字段所属的类或者接口的引用（C_class_info），然后按C字段本身、C实现的接口、C的父类的顺序去解析，如果没有，抛出NoSucdFieldError。如果找到引用，再进行字段权限认证，失败抛出IllegalAccessError。
  3. 类方法解析：前面方法和字段解析相同，类方法和接口方法符号引用的常量定义是分开的，如果在类方法表中发现C这个类是接口，直接报错。否则按类C本身、父类、实现的接口的顺序查找，找不到抛NoSuchMethodError。最后进行方法访问权限验证，，失败抛出IllegalAccessError。
  4. 接口方法解析：前面方法和字段解析相同，类方法和接口方法符号引用的常量定义是分开的，如果在接口方法表中发现C是接口，直接报错。否则按接口C本身、父接口的顺序查找，如果没找到，抛NoSuchMethodError；由于接口默认为public，不需要进行权限验证。

0x100 初始化阶段

初始化真正开始执行类定义的Java代码（字节码）。以下是clinit的一些细节。

  • clinit是编译器自动收集该类的所有类变量和静态语句块合并生成的。
  • 收集的顺序为源代码中出现的顺序。
  • 静态语句块中只能访问定义在其之前的变量。
  • 定义在静态语句块之后的类变量，可以赋值，不能访问。
  • clinit不需要显式调用父类clinit，虚拟机会保证父类clinit优先于子类clinit（接口除外），第一个clinit必定为Object。
  • 意味着父类中的静态语句块优先于子类类变量赋值操作。
  • clinit不是必须的，如果类中无类变量且无静态语句块。
  • 虚拟机保证类的clinit在多线程环境下会正确的加锁、同步。如果多个线程同时去初始化一个类，只有一个类会执行，其他线程必须阻塞等待，如果clinit耗时长，就可能造成多个进程长时间阻塞，较为隐蔽。

类加载器

通过一个类的全限定名去获取该类的二进制字节流。

  • 比较两个类是否相等：由同一个类加载器加载的前提下才有意义。

双亲委派机制

  • 启动器加载器（Bootstrap ClassClader）
  • 扩展类加载器（Extension ClassLoader）
  • 应用程序类加载器（Application ClassLoader），默认类加载器。
  • 推荐重写findClass方法，而不是复写loadClass方法。