Java虚拟机--类加载过程

上一篇:Java虚拟机--类加载时机

类加载的全过程包括:加载、验证、准备、解析初始化

加载:

在加载阶段,虚拟机需要完成3件事情:

  • 通过一个类的全限定名来获取定义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Class对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

验证:

验证是连接阶段的第一步,这个阶段的目的是为了确保Class文件的字节流合法,并且不会威胁到虚拟机自身的安全。验证分为四个小阶段:文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

文件格式验证:

第一阶段要验证字节流是否符合Class文件的格式规范,并且能被当前版本的虚拟机处理。该验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确的解析并存储与方法区内。这一阶段可能包含下列验证点:

  • 是否以魔数0xCAFEBABE开头;
  • 主、次版本号是否包含在当前虚拟机的处理范围内;
  • 常量池的常量是否含有不被支持的类型;
  • 指向常量的各种索引值是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量;
  • CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合utf8编码的数据;
  • 等等......

元数据验证:

对字节码描述信息进行语义分析,保证其描述的信息符合Java语言规范:

  • 这个类是否有父类;
  • 这个类的父类是否继承了不被允许继承的类(final类);
  • 如果这个类不是抽象类,是否实现了其父类和接口中要求的所有方法;
  • 类中字段、方法是否与父类产生矛盾;
  • 等等......

字节码验证:

该阶段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。在第二阶段对元数据类型校验之后,该阶段对类的方法体进行校验,保证类的方法在运行时的安全。

  • 保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码都能配合工作;
  • 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上;
  • 保证方法体中类型转换是有效的;
  • 等等......

符号引用验证:

最后一个阶段发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候,这个转化动作在解析阶段发生。符号引用验证可以看作是对类自身以外(常量池中的各种符号引用)的信息进行匹配性校验。

  • 符号引用中通过字符串描述的全限定类名能否找到对应的类;
  • 在指定的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、方法的访问性是否可以被当前类访问;
  • 等等......

准备:

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

  • 这时候进行内存分配的仅包括类变量(static修饰),不包括实例变量。实例变量将会在对象实例化时随对象一起分配在Java堆中;
  • 这里的初始值”通常情况“下一般指零值,程序员指定的值在初始化阶段才会生效;
  • 特殊情况是:当一个变量被final修饰,那么准备阶段该变量就会被初始化为指定的值。

解析:

解析阶段是虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。

  • 符号引用:是以一组符号来描述所引用的目标,符号可以是任何形式的字面量,只要使用时能无歧义的定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关,引用的目标不一定已经加载到内存中了。
  • 直接引用:可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或能间接定位目标的句柄。直接引用和内存布局相关,如果有了直接引用,那么目标一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。后三者和JDK1.7新增的动态语言支持相关。

初始化:

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。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,可以赋值但不能访问。见下方代码块1
  • <clinit>()方法与类的构造函数(实例构造器<init>()方法)不同,它不需要显式地调用父类构造器就可以保证在子类<clinit>()方法执行之前父类<clinit>()已经执行完毕。
  • 由于父类<clinit>()方法先执行,也就是父类的静态语句块要优于子类的变量赋值操作。见下方代码块2
  • <clinit>()方法对于类和接口来说并不是必须的,如果一个类中没有静态语句块,也没有对类变量的赋值操作,那么就不会为这个类生成<clinit>()方法。
  • 接口中不能用静态语句块,但仍然有类变量初始化操作,所以接口也会生成<clinit>()方法。但与类不同的是,执行接口的<clinit>()方法之前不需要执行父接口的<clinit>()方法。只要当父接口定义的变量被使用时才会执行父类<clinit>()方法。
  • 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被正确的加锁、同步。

代码块1:

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

代码块2:

class SuperClass{
    public static int A = 1;    //语句1
    static {  A = 2; }          //语句2
	
}

class SubClass extends SuperClass{
    public static int B = A;
}

public class Test{
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.B);
    }
}

上方代码输出2,如果将语句1 和语句2 交换,则输出1.

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