JVM学习系列：类的加载（连接阶段）

概述

本文仅关注类加载过程中的连接阶段，该阶段又可分为三步：验证、准备、解析。

验证

验证阶段主要是为了保证进入到JVM的二进制信息能够符合当前虚拟机的要求且不会危害虚拟机的安全。
验证主要涉及到下面几个方面：

• 文件格式验证：
  （1）是否以魔数0xCAFEBABE开头。
  （2）主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。
  （3）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）。
  （4）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。
  （5）CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。
  （6）Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。

• 元数据验证：
  （1）这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有类都应当有父类）。
  （2）这个类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）。
  （3）如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中所要求实现的所有方法。
  （4）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，或者出现不符合规则的方法重载，例如方法参数都一致，但返回值类型却不同等等）。

• 字节码验证：
  主要目的是通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。这个阶段将对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会产生危害虚拟机安全的事件，例如：
  （1）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：在操作数栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中。
  （2）保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
  （3）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，则是危险不合法的。

• 符号引用验证：
  符号引用验证可以看作是类对自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验，通常需要校验以下内容：
  （1）符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能够找到对应的类。
  （2）在指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。
  （3）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。

准备

准备阶段，JVM对类的静态变量分配内存并设置零值，各种类型变量的零值如下表所示：

数据类型	零值
int	0
long	0L
short	(short)0
char	'\u0000'
byte	(byte)0
boolean	false
float	0.0f
double	0.0d
reference	null

另外，需要注意的是，如果静态变量被final修饰，那么这准备阶段会被直接赋值，而不是零值。比如"public static int value = 123"，经过准备阶段，其赋值不是0而是123。

解析

符号引用：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。
直接引用：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。如果有了直接引用，那么引用的目标一定是已经存在于内存中。

解析阶段是会把常量池内的符号引用替换为直接引用，此处的常量池指的是class文件的常量池。主要下表中7类符号引用。

符号引用	位置
类或接口	CONSTANT_Class_info
字段	CONSTANT_Fieldref_info
类方法	CONSTANT_Methodref_info
接口方法	CONSTANT_InterfaceMethodref_info
方法类型	CONSTANT_MethodType_info
方法句柄	CONSTANT_MethodHandle_info
调用点	CONSTANT_InvokeDynamic_info

类或接口的解析
假设当前代码所处的类为D，如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的引用，那虚拟机完成整个解析过程需要以下3个步骤：

1. 如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。
2. 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1点的规则加载数组元素类型。
3. 如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为了一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认D是否具有对C的访问权限。如果发现不具备访问权限，则抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

字段解析
首先解析字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用，也就是字段所属的类或接口的符号引用，如果解析完成，将这个字段所属的类或接口用C表示，虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索。

1. 如果C本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
2. 否则，如果C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它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，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
3. 否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
4. 否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

结束语

初学JVM，如有出错欢迎纠正，谢谢！

参考

https://www.jianshu.com/p/dbf0e2151e55
https://blog.csdn.net/chenge_j/article/details/72677766