深入理解 Java 虛擬機：類的加載過程

類的生命週期

類從被加載到虛擬機內存中，到卸載出內存爲止，整個生命週期包含：加載、驗證、準備、解析、初始化、使用、卸載。

其中 類的加載過程 包含：加載、驗證、準備、解析、初始化

驗證、準備、解析 統稱爲 連接

加載

類加載的三步驟：

1. 通過一個類的 全限定名 獲取定義此類的 二進制字節流
2. 將字節流所代表的 靜態存儲結構 轉化爲 方法區的運行時數據（永久代的常量池）
3. 在內存中生成一個代表這個類的 java.lang.Class 對象，作爲方法區這個類的各種數據的訪問入口

非數組類的加載：
一個 非數組類 的 加載過程（準確的說是加載階段中獲取二進制流的動作） 是開發人員可控性最強的，加載階段 可使用系統提供的 引導類加載器來完成，也可以由 用戶自定義加載器 去完成，開發人員可以通過 自定義類加載器 去控制 字節流 的獲取方式（即重寫一個類加載器的 loadClass() 方法）。

數組類的加載：
數組類 的本身並不通過 類加載器 創建，它由 Java 虛擬機直接創建。但數組類的 元素類型，最終要靠 類加載器 去創建。

驗證

目的： 這一階段是爲了確保 Class 文件 的字節流中包含的信息 符合當前虛擬機的要求，並且不會危害虛擬機自身的安全

文件格式驗證

保證輸入的字節流能 正確地解析並存儲於方法區之內，格式上符合 Java 的信息要求，成功後字節流會被讀入 方法區 中進行存儲，所以後續的 3 個驗證階段都是基於方法區中的存儲結構，不再操作字節流。

驗證的內容：

1. 是否以魔數 0xCAFEBABE 開頭
   0xCAFEBABE（咖啡寶貝？） 是 Java 編譯後 Class 文件的開頭標識，有這個說明是 Java 的 Class 文件
2. 主、次版本號是否在當前虛擬機的處理範圍內
   不少人應該都遇到過，由於 JDK 版本太低，導致的 major.minor version 52.0，百度下發現要用 JDK8
3. 常量池中的常量是否有不被支持的類型（檢查常量 tag 標誌）
4. CONSTANT_Utf8_info 型的常量中是否有不符合 UTF-8 編碼的數據
5. Class 文件 中各個部分及文件本身是否有被刪除的或附加的其他信息
6. … …

元數據驗證

對類的元數據進行驗證，保證 不存在不符合 Java 語言規範的元數據信息。

驗證內容：

1. 這個類是否有父類（除了 Object 類都應該有父類）。
2. 這個類的父類是否繼承了不允許被繼承的類（被 final 修飾的類）。
3. 如果這個類不是抽象類，是否實現了 父類 或接口 中要求實現的所有方法。
4. 類中的字段、方法是否與父類產生矛盾（例如覆蓋了父類的 final 字段，或者出現不符合規則的方法重載，例如方法參數都一致，但返回值類型卻不同等）。

字節碼驗證

最複雜的階段，通過數據流和控制流的分析，確認軟件語義是 合法、符合邏輯 的，保證被校驗類的方法 在運行時不會做出危害虛擬機安全的事件。

例如：

1. 保證任意時刻操作數棧的數據類型與指令代碼序列都能配合工作。
2. 保證指令不會跳到方法體以外的字節碼指令上。
3. 保證方法體中的類型轉換是有效的。
4. … …

符號引用驗證

驗證虛擬機將 符號引用 轉化爲 直接引用 時，進行的 匹配性校驗。

驗證內容：

1. 符號引用中通過 全限定名 是否能找到對應的類。
2. 在指定類中是否存在 符合方法的字段描述 以及 簡單名稱所描述的方法和字段。
3. 符號引用的中的類、字段、方法的訪問性（private、protected、public、default）是否可以被當前類訪問。
4. … …

準備

準備階段 是正式爲 類變量分配內存並設置類變量初始值的階段，這些變量所使用的內存都將在方法區中進行分配

初始值爲零值：
這時候進行內存分配的僅包括 類變量（被static修飾的變量），而不包括實例變量，實例變量將會在對象實例化時隨着對象一起分配在 Java 堆中

其次，這裏所說的初始值 “通常情況” 下是數據類型的 零值，假設一個類變量的定義爲：

public static int value=123;

那變量 value 在 準備階段過後的初始值爲 0 而不是 123
而把 value賦值爲 123 的 putstatic 指令是程序被編譯後，存放於類構造器 ＜clinit＞()方法之中，所以把value 賦值爲 123 的動作將在 初始化階段 纔會執行

特殊情況：
如果類字段的字段屬性表中存在 ConstantValue 屬性，那在準備階段變量 value 就會被初始化爲 ConstantValue 屬性所指定的值，例如：

public static final int value=123;

編譯時 Javac 將會爲 value 生成 ConstantValue 屬性，在準備階段虛擬機就會根據 ConstantValue 的設置將 value 賦值爲 123`。

解析

解析階段時虛擬機將 常量池 內的 符號引用 替換爲 直接引用 的過程。

符號引用與直接引用：

• 符號引用： 以一組符號來描述所引用 目標，符號可以是 任何形式的字面量，只要使用是能 無歧義的定位到目標即可。符號引用與虛擬機內存佈局無關，引用的目標 並不一定加載導內存中，符號引用的字面量形式明確定義在 Class 中。
• 直接引用： 直接引用可以是直接指向目標的指針、相對偏移量或者一個能 能間接定位到目標的句柄。如果有 直接引用，那引用的目標 必定已經在內存中存在。

解析動作的目標：
類或接口、字段、類方法、接口方法、方法類型、方法句柄和調用點限定符 7 類符號引用進行

注：解析的過程比較複雜，具體可以參考《深入理解java虛擬機》，個人認爲大致瞭解即可

初始化

在 準備階段 變量已經經過了初始值（零值）的賦值，而在 初始化階段 將根據 程序員的主觀意願去初始化變量和其他資源。初始化階段是執行 類構造器 <clinit>() 方法 的過程。

類構造器 <clinit>()：

• <clinit>() 方法是由編譯器自動收集類中 所有類變量的賦值動作 和 靜態語句塊 static{} 的語句合併產生的。靜態語句塊中 只能訪問到靜態語句塊之前的變量，之後的變量只能賦值不能訪問。

public class Test {
	static {
		// 給變量賦值可以正常通過
		i = 0;
		//編譯報錯，提示 “非法向前引用”
		System.out.println(i);
	}
	static int i = 0;
}

• <clinit>() 方法與類的構造函數不同，它不需要顯示的調用父類構造函數，虛擬機會保證子類的 <clinit>() 調用之前，父類的 <clinit>() 方法已經執行完畢。因此虛擬機第一個被加載的 <clinit>() 肯定是 java.lang.Object。
• 如果一個類 沒有靜態語句塊，則 不會生成 <clinit>()。
• 接口不能使用靜態語句塊，但是依然有 變量初始化 的賦值操作，因此也會生成 <clinit>()。但接口與類不同，接口不需要先執行父類接口的 <clinit>() 方法。只有當 接口中的變量使用時，父接口才會喫實話，另外，接口實現類在初始化時也一樣不會執行接口的 <clinit>() 方法。
• 虛擬機會保證一個類的 <clinit>() 方法在多線程環境下是正確的加鎖、同步，多個線程去初始化一個類是，只會有一個類執行 <clinit>()，其他的阻塞等待。

總結