虚拟机加载机制
类加载时机
生命周期
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加载（Loading）
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验证（Verification）
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准备（Preparation）
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解析（Resolution）
再某种情况下，解析阶段可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定
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初始化（Initialization）
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使用（Using）
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卸载（Unloading）
初始化时机
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遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic 四条指令时
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使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时
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当初始化一个类时，若发现其父类还没有初始化，则先触发父类的初始化
当一个类初始化时，要求其父类完全都已经初始化，但是初始化接口时，并不要求其父接口全部都初始化，只有在真正使用到父接口时（如引用接口中的常量）才会初始化
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当虚拟机启动时，用户指定的一个要执行的主类（包含main方法），虚拟机会先初始化这个主类
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当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后解析的结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄时，且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要触发其初始化
类加载过程
加载
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完成的三件事
- 通过一个类的全限定名来获取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结构的访问入口
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特点（非数组类加载）
- 开发人员可控性最强
- 可以使用系统提供的引导类加载器完成
- 也可以用户自定义的类加载器完成
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数组类创建规则
数组类本身不能通过类加载器完成，由Java虚拟机直接完成
- 如果数组的组件类型（数组去掉一维的类型）是引用类型，就递归采用加载过程区加载这个组件类型，数组C将在加载该类组件类型的类加载器的类名称空间上被标识
- 如果数组的组件类型不是引用类型（如int[]），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器相关联
- 数组类的可见性和它的组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组类的可见性就默认为public
验证
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文件格式验证
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目的
- 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
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验证点
- 是否以魔数0xCAFEBABE开头
- 主、次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内
- 常量池中的常量是否有不被支持的常量类型（检查常量tag标志）
- 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
- ………………等等
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元数据验证
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目的
- 对字节码描述的信息进行语意分析，以保证其描述的信息符合Java规范的要求
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验证点
- 这个类是否有父类（除了java.lang,Object以外，所有的类都应当有父类）
- 这个类的父类是否继承了不允许继承的类（被final修饰的类）
- 如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或者接口之中要求的实现的所有方法
- ………………等等
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字节码验证
如果一个方法体通过了字节码验证，也不能说其一定就是安全的。“Halting Problem"：通过程序去检验程序逻辑是无法做到绝对准确的——不能通过程序准确的检查出程序是否能在有限的时间之内结束运行
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目的
- 通过数据流和控制流分析，确定程序语意是合法、合乎逻辑的
- 该阶段对类的方法体进行校验分析，保证该校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件
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验证点
- 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
- 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上
- 保证方法体中的类型转换是有有效的
- ………………等等
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符号引用验证
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时机
- 该校验发生在虚拟机将符号引用转化位直接引用的时候，这个转化动作将在第三阶段——解析阶段中发生
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目的
- 对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性检验
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验证点
- 符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类
- 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
- 符号引用中类、字段、方法的访问性是否可以被当前类访问
- ………………等等
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准备
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作用
- 该阶段正式为类变量分配内存并设置类变量初始值，这些变量所使用的内存都将在方法区中分配
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注意点
- 这个时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），而不包括实力变量，实例变量将会在对象初始化是随对象一起分配在Java堆中
- 这里所说的初始值”通常情况“下是数据的零值，如语句 public static int value = 123;中变量value在准备阶段的初始值是0而不是123。把value赋值为123将发生在初始化阶段
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”特殊情况“
- 如果字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那再准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，如语句public static final int value = 123;编译时javac将会为value生成ConstantValue属性，然后在准备阶段虚拟机机会根据ConstantValue的设置将value赋值为123
解析
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作用
- 解析是虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程
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符号引用和直接引用
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符号引用
- 符号引用是以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任意形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。
- 符号引用与虚拟机的内存布局无关
- 引用的目标不一定已经加载到内存中
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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的目标的句柄
- 直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关
- 如果有了下直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在
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解析时机
- 虚拟机规范中并未规定解析阶段发生的具体时机
- 在执行anewarray、checkcast、getfield、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield、putstatic这16个用于符号引用的字节码指令之前，先对他们所使用的符号应用进行解析
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解析缓存
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普通符号引用指令
- 除invokedynamic指令之外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存
- 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了，那么后续的引用解析请求就应当一直成功
- 如果第一次解析失败了，那么其他指令对这个符号的解析请求应当受到相同的异常
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invokedynamic指令
- 当碰到某个前面已经由invokedynamic指令出发过解析的符号引用时，并不意味着这个解析结果对其他invokedynamic指令也同样有效
- 因为invokedynamic指令的目的本来就是用于动态语言支持，它所对应的引用称为“动态调用限定符”
- “动态”的含义是必须等到程序实际运行到这条指令时，解析动作才能进行
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解析过程
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解析动作主要指对类或接口、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类符号引用进行
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类或接口的解析
- 假设当前代码所处的类为D，把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C中的直接引用，则需一下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是一个素组类型，并且数组的元素类型是对象，那就会按照第一点的规则去加载数组类型的元素；如果数组的元素类型不是对象，则由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象
- 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生成一个有效的类或者接口了，但解析完成之前还需要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限，如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常
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字段解析
- 要解析一个未解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。完成后，虚拟机规范要求按照如下步骤对字段所属类或接口C进行字段搜索
- 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，如果在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父类，如果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
- 如果查找过程中成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常
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类方法解析
- 首先解析出类方法表的class_index项中的方法所属的类或者接口的符号引用，如果解析成功，则会对类C进行类方法搜索
- 1）如果在类方法表中发现class_index中索引是个接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常
- 2）如果通过了 1）步骤，在类C中查找是否又简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有返回这个方法的直接引用，查找结束
- 3）否则，在类C的父类中递归查找是否又简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有返回这个方法的直接引用，查找结束
- 4）否则，在类C实现的接口列表以及他们的父接口之中递归查找是否又简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有返回这个方法的直接引用，查找结束
- 5）否则，方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError
- 如果查找过程中成功返回了引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常
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接口方法解析
- 首先解析出接口方法表的class_index项中的方法所属的类或者接口的符号引用，如果解析成功，则会对接口C进行接口方法搜索
- 1）如果在接口方法表中发现class_index中索引是个类，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常
- 2）否则，在接口C的中查找是否又简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有返回这个方法的直接引用，查找结束
- 3）否则，在接口C的父接口中递归查找（直到java.lang.Object(包括)为止）是否又简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有返回这个方法的直接引用，查找结束
- 4）否则，方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError
- 由于接口中的方法默认都是public的，所以不存在访问权限的问题
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初始化
- 初始化阶段是执行类构造器()方法的过程
- ()方法是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（static{}块）中的语句合并产生的
- ()方法不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕
- 由于父类的()方法先执行，父类中静态语句块要优先子类的静态语句块的变量赋值操作
- ()方法对于类或者接口来说并不是必须的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成()方法
- 执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也不会执行接口的()方法
- 虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境下被正确地加载、同步，如果多线程同时去初始化一个类，那么只有一个线程去执行这个类的()方法，其他线程需要阻塞等待
类加载器
类与类加载器
- 对于任意一个类，都需要由加载它的类加载机器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性
- 每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间
- 要比较两个类是否“相等”，只有这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义；若同一个个类被不同的类加载器加载，则他们是不相同的
双亲委派模型
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两种不同的加载器
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），由c++实现，虚拟机自身的一部分
- 其他所有的加载器，由Java实现，独立于虚拟机外部
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启动类加载器
- 无法被Java程序直接引用，如果自定义类加载器，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，直接使用null代替就可以了
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扩展类加载器
- 这个加载器是由sun,misc.Launcher$ExitClassLoader实现
- 负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径下的所有类库
- 开发者可以直接使用扩展类加载器
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应用程序类加载器
- 这个加载器是由sun,misc.Launcher$AppClassLoader实现
- 它是getSystemClassLoader()方法的返回指，称为系统类加载器
- 一般情况下的程序的默认加载器
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双亲委派模型的工作过程
类加载其之间的父子关系一般不会以继承关系来实现，而是都是以组合关系来复用父加载器的代码
- 如果一个类加载器收到了类加载请求，它首先不会自己尝试去加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成
- 每一个层次的类加载器都如此因此所有的加载请求最终会都会传递到顶层的启动类加载器中
- 只有当父加载器返回自己无法完成加载请求，子加载器才会尝试自己去加载
来源：CSDN
作者：qq_24256961
链接：https://blog.csdn.net/qq_24256961/article/details/104116071