JVM - 类加载过程

字节码

在聊 Java 类加载机制之前，需要先了解一下 Java 字节码，因为它和类加载机制息息相关。

计算机只认识 0 和 1，所以任何语言编写的程序都需要编译成机器码才能被计算机理解，然后执行，Java 也不例外。

Java 在诞生的时候喊出了一个非常牛逼的口号：”Write Once, Run Anywhere”，为了达成这个目的，Sun 公司发布了许多可以在不同平台（Windows、Linux）上运行的 Java 虚拟机（JVM）——负责载入和执行 Java 编译后的字节码。

我们借助一段简单的代码来看一看，源码如下：

package org.blackist.jvm;

public class JvmDemo {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("董亮亮的开发笔记");
	}
}

代码编译过后，通过十六进制工具 xxd JvmDemo.class命令查看这个字节码文件：

00000000: cafe babe 0000 0034 0022 0a00 0600 1409  .......4."......
00000010: 0015 0016 0800 170a 0018 0019 0700 1a07  ................
00000020: 001b 0100 063c 696e 6974 3e01 0003 2829  .....<init>...()
00000030: 5601 0004 436f 6465 0100 0f4c 696e 654e  V...Code...LineN
00000040: 756d 6265 7254 6162 6c65 0100 124c 6f63  umberTable...Loc
00000050: 616c 5661 7269 6162 6c65 5461 626c 6501  alVariableTable.

这段字节码中的 cafe babe 被称为“魔数”，是 JVM 识别 .class 文件的标志。文件格式的定制者可以自由选择魔数值（只要没用过），比如说 .png 文件的魔数是 89504e47。

类加载过程

JVM结束生命周期的几种情况：

• 执行了System.exit()方法
• 程序正常执行结束
• 程序执行过程中遇到异常或错误而异常终止
• 操作系统出现错误而导致JVM进程终止

Java 的类加载过程可以分为 5 个阶段：载入、验证、准备、解析和初始化。这 5 个阶段一般是顺序发生的，但在动态绑定的情况下，解析阶段发生在初始化阶段之后。

加载

查找并加载类的二进制数据。

将类的.class文件中的二进制数据读入到内存，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆去创建java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。

加载 .class 的方式

• 从本地加载
• 从网络上加载（URLClassLoader(URL[] urls)）
• 从 zip, jar 等归档文件中加载 .class 文件
• 从专有数据库提取 .class 文件
• 将 Java 源文件动态编译成 .class 文件

连接

验证

确保被加载的类的正确性，符合JVM字节码规范，该阶段是保证 JVM 安全的重要屏障，下面是一些主要的检查：

• 确保二进制字节流格式符合预期（比如说是否以 cafe bene 开头）。
• 是否所有方法都遵守访问控制关键字的限定。
• 方法调用的参数个数和类型是否正确。
• 确保变量在使用之前被正确初始化了。
• 检查变量是否被赋予恰当类型的值。

准备

JVM 会在该阶段对类变量（也称为静态变量， static 关键字修饰的）分配内存并初始化（对应数据类型的默认初始值，如 0、0L、null、false 等）。

public String blackist = "Blackist";
public static String note = "Note";
public static final String bnote = "Note-of-Blackist";

blackist不会被分配内存，而 note会；但 bnote的初始值不是“王二”而是 null。

需要注意的是， static final 修饰的变量被称作为常量，和类变量不同。常量一旦赋值就不会改变了，所以 bnote 在准备阶段的值为“沉默王二”而不是 null。

解析

该阶段将常量池中的符号引用转化为直接引用。

符号引用以一组符号（任何形式的字面量，只要在使用时能够无歧义的定位到目标即可）来描述所引用的目标。

在编译时，Java 类并不知道所引用的类的实际地址，因此只能使用符号引用来代替。比如 org.blackist.Quiz 类引用了 org.blackist.Bnote类，编译时 Quiz类并不知道 Bnote类的实际内存地址，因此只能使用符号 org.blackist.Bnote。

直接引用通过对符号引用进行解析，找到引用的实际内存地址。

初始化

类变量已经被赋过默认初始值，而在初始化阶段为类的静态变量赋予正确的初始值。

public class Test {
	// 准备阶段默认值为0，初始化阶段赋值3
	private static int foo = 3;
	// 也可写为
	peivate static int foo;
	static {
		foo = 3;
	}
	// 静态代码块从上到下顺序执行，foo最终等于4
	static {
		foo = 4;
	}
}

换句话说，初始化阶段是执行类构造器方法的过程。

Java程序对类的使用

主动使用（六种）

• 创建类的实例（new Test();）
• 访问某个类的或接口的静态变量，或对该静态变量赋值（int b = Test.a; Test.a = b;）
• 调用类的静态方法 （Test.foo()）
• 反射（ClassForName(“org.blackst.demo.Quiz”)）
• 初始化类的子类

class Parent {}
class Child extends Parent {
    public static int a = 3;
}
// 初始化子类，对父类进行了主动使用
Child.a = 4;

• JVM启动时被标为启动类的类（如JavaTest，java org.blackist.Test）

所有JVM实现必须在每个类或接口被Java程序 首次主动使用 时才初始化。

被动使用

除了主动使用以外的使用，都不会导致类的初始化。

示例

如下程序：

输出：

1
0

（完）