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  • 类加载过程

    “加载”是“类加载”(Class Loading)过程的一个阶段,


    在加载阶段,虚拟机需要完成以下3件事情:
    1)通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
    2)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
    3)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。

    备注: Class对象并没有明确规定是在Java堆中,对于HotSpot虚拟机而言,Class对象比较特殊,它虽然是对象,但是存放在方法区里.


    验证阶段:

    验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检验动作:文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

    1. 文件格式验证:

    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,这一阶段可能包括下面这些验证点:

    是否以魔数0xCAFEBABE开头。
    主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。
    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)。
    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
    ...........

    这阶段的验证是基于二进制字节流进行的,只有通过了这个阶段的验证后,字节流才会进入内存的方法区中进行存储

    2. 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,这个阶段可能包括的验证点如下:

    这个类是否有父类(除了java.lang.Object之外,所有的类都应当有父类)。
    这个类的父类是否继承了不允许被继承的类(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接口之中要求实现的所有方法。
    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)。
    ……

    第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验,保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

    3. 字节码验证

    第三阶段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和控制流分析,确定程序语义是合法的、符合逻辑的。
    例如:

    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。
    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效的,例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型,这是安全的,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,则是危险和不合法的。
    ……

    由于数据流验证的高复杂性,虚拟机设计团队为了避免过多的时间消耗在字节码验证阶段,在JDK1.6之后的Javac编译器和Java虚拟机中进行了一项优化,给方法体的Code属性的属性表中增加了一项名为“StackMapTable”的属性,这项属性描述了方法体中所有的基本块(Basic Block,按照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

    4.符号引用验证

    最后一个阶段的校验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——解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外(常量池中的各种符号引用)的信息进行匹配性校验,通常需要校验下列内容:

    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。
    符号引用中的类、字段、方法的访问性(privateprotectedpublicdefault)是否可被当前类访问。
    ……

    准备阶段

     准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段,这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

    这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下,首先,这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。其次,这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值,假设一个类变量的定义为

    public static int value=123;

    那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123,因为这时候尚未开始执行任何Java方法,而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后,存放于类构造器<clinit>()方法之中,所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。
    表7-1列出了Java中所有基本数据类型的零值。


     解析阶段

    解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程,符号引用在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现,那解析阶段中所说的直接引用与符号引用又有什么关联呢?

    符号引用(Symbolic References):
    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。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关,引用的目标并不一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同,但是它们能接受的符号引用必须都是一致的,因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。

    直接引用(Direct References):
    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。直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的,同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用,那引用的目标必定已经在内存中存在。

     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7类符号引用进行,分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info 7种常量类型。


    初始化

     类初始化阶段是类加载过程的最后一步,前面的类加载过程中,除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外,其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段,才真正开始执行类中定义的Java程序代码(或者说是字节码)。

    在准备阶段,变量已经赋过一次系统要求的初始值,而在初始化阶段,则根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源,或者可以从另外一个角度来表达:初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程.

    <clinit>()方法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(static{}块)中的语句合并产生的,编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的,静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量,定义在它之后的变量,在前面的静态语句块可以赋值,但是不能访问.

    如:

    public class Test {
        static int i = 1;
        static {
            i = 0;//给变量赋值可以正常编译通过
            System.out.print(i);//这句编译器会提示"非法向前引用"
        }
    }

    <clinit>()方法与类的构造函数(或者说实例构造器<init>()方法)不同,它不需要显式地调用父类构造器,虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前,父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。

    由于父类的<clinit>()方法先执行,也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作,如在代码清单7-6中,字段B的值将会是2而不是1

    public class maintest {
    
        static class Parent {
            public static int A = 1;
    
            static {
                A = 2;
            }
        }
    
        static class Sub extends Parent {
            public static int B = A;
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println(Sub.B);
        }
    }

    <clinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的,如果一个类中没有静态语句块,也没有对变量的赋值操作,那么编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法。

    接口中不能使用静态语句块,但仍然有变量初始化的赋值操作,因此接口与类一样都会生成<clinit>()方法。但接口与类不同的是,执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()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一样不会执行接口的<clinit>()方法。

    虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁、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

    小结:

    类变量有两次赋初始值的过程,一次在准备阶段,赋予系统初始值;另外一次在初始化阶段,赋予程序员定义的初始值。                                         

    同一个类加载器下,一个类型只会初始化一次。

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