Java类加载时机及过程
Java类加载时机及过程
一、Java类记加载时机
- 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段，能够生成这四条指令的典型java代码场景有：
- 使用new关键字实例化对象的时候。
- 读取或设置一个类型的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候
- 调用一个类型的静态方法的时候
- 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要触发其初始化。
- 当初始化类的时候，如果发现其父类没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化
- 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类，虚拟机会先初始化这个主类
- 当使用jdk7新加入的动态语言支持时，如果一个java.lang.MethodHandle实例最后的解析结果为ref_getstatic，ref_putstatis，ref_invokestatic，ref_newinvokespecial四种类型的方法具柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化
- 当一个接口定义了jdk8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化
以上都是对一个类型的主动引用，被动引用的例子：
- 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类的初始化。
- 通过数组定义来引用类，不会初始化这个类；对于数组[]A，在初始化的时候则是[LA类的初始化，它是由虚拟机自动生成的，直接继承与object类，创建动作由newarray触发，这个类代表了这个数组，数组应有的属性和方法都实现在这个类中。
- 常量会在编译阶段存入调用类的常量池中，本质上没有直接引用到定义常量的类。因此不会触发定义常量类的初始化。
二、类加载过程
1、加载
在加载阶段，Java虚拟机需要完成三件事情
- 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流
- 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
- 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。
对于数组类而言，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。因为数组类的元素类型（element type ）最终还是要靠类加载器来完成加载，一个数组类创建过程遵循以下规则。
如果数组的组件类型是引用类型，那就递归采用类加载过程去加载这个组件类型，此数组将被标识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上。
如果数组的组件类型不是引用类型，Java虚拟机会把此数组标记为与引导类加载器关联。
数组类的可访问性和他的组件的可访问性一致，如果组件类型不是引用类型，则默认为public。
加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义，此后会在Java堆中创建一个java.lang.Class对象，这个对象作为程序访问方法区的类型数据的外部接口。
加载阶段与连接阶段的部分动作是交叉进行的。
2、验证
验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保class文件的字节流中包含的信息符合Java虚拟机规范的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行不会危害虚拟机的安全。
虚拟机导入的的字节流，只要符合class文件的结构就行，所以验证字节码是Java虚拟机保护自身的一项必要措施。这个阶段是否严谨，直接决定了java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击，从代码量和耗费的执行性能来讲，验证阶段的工作量，在虚拟机类加载的过程中占了相当大的比重。
从整体上看，验证阶段会完成下面四个阶段的校验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。
- 文件格式验证
第一阶段要验证字节流是否符合class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。可能包括：是否以魔数开头，主次版本号是否在当前Java虚拟机范围以内等等。
- 元数据验证
第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求。可能包括：这个类是否有父类；这个类的父类是否继承了不允许被继承的类等等。
- 字节码验证
第三部分是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是通过数据流分析和控制流分析，确定程序语义是合法的，符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型校验完毕以后，这个阶段就要对类的方法体（class文件中的code属性）进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。例如：保证任何跳转指令都不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
由于数据流分析和控制流分析的高度复杂性，Java虚拟机的设计团队为了避免过多的执行时间消耗在字节码验证阶段中，在jdk6之后的javac编译器和Java虚拟机里进行了一项联合优化，把尽可能多的校验辅助措施挪到javac编译器里面进行。具体做法就是给方法体code属性的属性表中新加了一项名为“stackmap table”的新属性，这项属性描述了方法体所有基本块（按控制流拆分的代码块）开始时本地变量表和操作栈应有的状态，在字节码验证期间，java虚拟机不需要根据程式推导这些状态的合法性，只需要检查stackmap table属性中的记录是否合法即可。
- 符号引用验证
最后一个阶段的校验行为发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候。这个转化动作将在连接的第三阶段--解析阶段发生。符号引用验证可以看作时对类自身以外的各类信息进行匹配性校验。例如：符号引用中通过字符串描述的全限定符是否能找到对应的类；符号引用的类、字段、方法的可访问性是否可被当前类访问等等。符号引用的主要目的是确保解析行为能正常执行，是一个非常重要但却不是必须的阶段，因为验证阶段只有通过和不通过的差别，只要通过了验证，其后就对程序运行期就没有任何影响了。
3.准备
准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量使用的内存都应当在方法区中分配，但是方法区是一个逻辑概念；在jdk7及之前，hotspot使用永久代来实现方法区，在jdk8之后，类变量会随着class对象一起存放在java堆中。
在准备阶段，这个时候进行的内存分配仅包括类变量，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。这里的初始值通常情况下是数据类型的零值，如果类字段的字段属性表中存在constantvalue属性，那么在准备阶段就会被初始化为其所指定的初始值。
4.解析
解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。
- 符号引用：是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，只要使用时无歧义的定位到目标即可。
- 直接引用：是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用时和虚拟机实现直接相关的。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在虚拟机的内存中存在了。
虚拟机规范中没有规定解析阶段发生的具体时间，只要求在执行new、putstatic、getstatic、getfield等17个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对他们使用的符号引用进行解析。
对于一个符号引用进行多次解析是很常见的，除invokedynamic指令，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存。java虚拟机需要保证在同一个实体中，如果一个符号引用之前已经被成功解析过，那么后续的解析请求应当一直成功，反之亦然。对于invokedynamic指令，上面的规则不成立，当碰到前面已经由invokedynamic指令解析过的符号引用，并不意味着这个解析结果对其他的invokedtnamic指令同样生效。因为这个指令的目的就是用于动态语言支持。
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、方法句柄和调用点限定符这7类符号引用进行。
- 类或接口解析
假设当前代码所处的类为D，如果要把从未解析过的符号引用N解析为一个类或者接口C的直接引用，则需要以下三个步骤：
如果C不是数组类型，那么虚拟机会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C，在加载的过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要又可能触发其他相关类的加载动作。
如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，那将会按照第一点的规则加载数组元素类型。
如果上面俩步没有出现异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或者接口了，但是解析完成前需要进行符号引用校验，确认访问权限。
- 字段解析
要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内的class_index项中的索引constantm_class_info符号进行解析，也就是字段所属的类或者接口的符号引用。如果解析成功完成，那么会按照如下的步骤进行后续字段的搜索
如果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，则直接返回，查找结束。
否则如果在C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索每个接口和他的父接口，如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回，查找结束
否则如果C不是object对象的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果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，则返回，查找结束
否则查找失败。
其次还会进行访问权限校验
- 方法解析
方法解析的第一步和字段解析的第一步一样，都要对所属的类或者接口的符号引用进行解析。其次：
由于class文件格式中类的方法和接口的方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类中方法表发现是个接口的话，直接抛出异常。
如果通过第一步，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，如果有则返回，查找结束
否则在类c的父类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，如果有则返回，查找结束
否则在类c实现的接口列表中查找是否又简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则说明c是抽象类，抛出异常，查找结束
否则查找失败。
最后同样也会进行访问权限验证。
- 接口方法解析
接口方法也是需要先解析所属的类或接口的符号引用。其次
与类的方法解析相反，如果C是一个类。则报异常
否则在接口C查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回，查找结束
否则在接口的父接口直到object中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回，查找结束
对于规则三，由于java虚拟机允许接口多继承，如果多个接口存在相同的方法，不同的虚拟机厂商javac编译器有不同的限制，来拒绝这种代码带来的不确定性。
否则，查找失败。
5.初始化
类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。
进行准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，则会根据程序员通过程序编码指定的主观计划去初始化类变量和其他资源。简单理解初始化阶段就是执行类构造器clinit方法的过程，clinit是javac编译器自动生成物，它是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，编译器收集的顺序就是语句在源文件出现的顺序决定的，静态语句块只能访问到定义在静态语句块之前的变量。定义在后面的变量，可以赋值但是不能访问。
clinit方法与类中的构造函数不同，它不需要显式的调用父类构造器，java虚拟机会保证子类的clinit方法执行前，父类的clinit方法已经执行完毕。
由于父类的clinit方法先执行，所以父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。
clinit方法对于类或者接口并不是必须的，执行接口的clinit方法不需要先执行父接口的clinit方法，因为只有当父接口中定义的变量被使用的时候，父接口才会被初始化。接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的clinit方法。
java虚拟机必须保证一个类的clinit方法在多线程的环境中被正确的加锁同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的clinit方法，其他线程都需要阻塞等待。
参考：
《深入理解Java虚拟机》周志明
