JVM（四）——类加载机制

我会带着你远行 2022-03-28 07:16 178阅读 0赞

在上篇 [Class类文件结构浅析][Class] 中，我们总结了将.java文件编译为的.class文件的组成结构，不仅知道我们如何写代码，也清楚了JVM执行的文件构成。那么，JVM是如何将加载这些Class文件呢？好，这篇我们来学习总结一下JVM的类加载机制。

一，JVM的类加载机制（概念）：JVM把描述类的文件从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JVM**直接使用**的Java类型。

好，先看下类在JVM中的生命周期：

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二，什么时候类进行加载：

其实对于前边的阶段，加载、验证、准备、解析，Jvm没有强制约束。这里重点说初始化阶段，JVM规范有且只有以下5种情况必须立即对类进行**初始化**。

<table>  类初始化的5种情况  
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1-遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，对应Java代码场景：使用new实例化对象、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰）、调用一个类的静态方法。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2-使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>3-当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>4-当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含mian()方法的类），虚拟机会先初始化这个主类。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>5-使用动态语言支持，如果一个java.lang.invoke.MethodHandler实例最后解析为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且没有初始化，则需要先触发其初始化。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

三，类加载的过程详述：

1，加载：JVM会完成以下3件事：a，通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；b，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；c，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。

2，验证：这一个阶段确保class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，确保不会危害虚拟机自身安全。（想想我们在写接口时也会有各种验证）。验证内容如下：

<table>  JVM验证内容  
 <thead> 
  <tr> 
   <th>验证动作类型</th> 
   <th>简述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1-文件格式验证</td> 
   <td> <p>a，是否以魔数0xCAFEBABE开头；</p> <p>b，主次版本号是否在当前JVM的处理范围之内；</p> <p>c，常量池的常量中是否有不被支持的常量类型；</p> <p>d，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；</p> <p>e，CONSTANT_Utf8_info行的常量中是否有不符合UTF-8编码的数据；</p> <p>……</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2-元数据验证</td> 
   <td> <p>a，这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应有父类）；</p> <p>b，这个类的父类是否继承不允许被继承的类（被final修饰）；</p> <p>c，类不是抽象类，是否实现了其父类或接口中要求实现的所有方法；</p> <p>d，类中的字段是否与父类产生矛盾（final 字段，不符合规则的重载等）；</p> <p>……</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>3-字节码验证</td> 
   <td>是最复杂的一个阶段，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。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>4-符号引用验证</td> 
   <td>发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，在解析阶段中发生。可以看做对类自身以外（常量池）的信息进行匹配性校验。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

细想一下，是不是和我们测试东西的流程步骤很类似：功能本身是否能用，功能与关联功能是否能用，功能是否正确，功能调用的其它功能是否正常……要求基本到越来越高。

3，准备：正式为类变量分配内存并设置类变量的初始值的阶段。其中基本数据类型的初始零值int-0、boolean-false、long-0L、float-0.0f、short-(short)0、double-0.0d、char-'\\u0000'、reference-null、byte-(byte)0。

4，解析：是JVM将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。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7中符号引用进行，分别对应常量池的CONSTANT\_Class\_info、CONSTANT\_Fieldref\_info、CONSTANT\_Method\_info、CONSTANT\_InterfaceMethodrefinfo、CONSTANT\_MethodType\_info、CONSTANT\_MethodHandle\_info和CONSTANT\_InvokeDynamic\_info 7种常量类型。

<table>  对比  
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="width:94px;">符号引用</td> 
   <td>以一组符号来描述所引用的目标，只要能定位到目标即可。与JVM的内存布局无关，引用的目标并不一定已经加载到内存中。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:94px;">直接引用</td> 
   <td>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。与JVM的内存布局有关，引用目标必定已经存在。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

5，初始化：真正开始执行来中定义的Java程序代码，进行初始化类的变量和其他资源。

四，类加载器：这里重点看下JDK类加载器设计的**双亲委派机制。**

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说明：1，启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）:负责加载存放在<JAVA\_HOME>\\lib目录中的，按照文件名识别，例如rt.jar。无法被Java程序直接引用；  2，扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负载加载<JAVA\_HOME>、lib\\ext目录中的，开发者可以直接使用扩展类加载器； 3，应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载用户类路径上所指定的类库。

为什么叫双亲委派机制呢？上图除了顶层的启动类加载器，其它都有自己的父类加载器，父子使用组合关系来复用父加载器的代码。其工作过程，如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己尝试加载，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，只有父类加载反馈自己无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载。

好，这样我们学习总结了一个类如何加载到JVM中，后边就是使用和卸载了。是不是JVM容器、里边用的class文件结构、class文件如何加载进行，就都总结了。接下来的呢？如何使用？如何运行？如何高效（高并发）运行？好了，继续……

[Class]: https://blog.csdn.net/liujiahan629629/article/details/85803678
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