Java类加载时机和类的加载过程

类加载的时机

• 类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：
  加载(Loading)》验证(Verification)》准备(Preparation)》解析(Resolution)》初始化(Initialization)》使用(Using)》卸载(Unloading )。
  
  • 其中 验证，准备，解析三部分统称为连接(Linking).
• 加载，验证，准备，初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析则不一定：它在某些情况下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(动态绑定，晚期绑定)。

什么时候加载

• 虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行”初始化“(而加载，验证，准备自然需要再此之前开始)。

1. 使用 new关键字实例化对象的时候，读取或者一个类的静态字段(被final 修饰，已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
   (遇到 new，getstatic，putstatic，invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化。)
2. 对类进行反射调用的时候，如果类没有初始化，则需要先触发其初始化。
3. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行初始化，则需要先触发其父类的初始化。
4. 当虚拟机启动时，用户需要指定一个执行的主类(包含 main()方法的那个类)，虚拟机会先初始化这个主类。
5. 使用 JDK 1.7 的动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandler 实例最后的解析结果 REF_getStatic，REF_putStatic，REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

类加载的过程

加载

• “加载”(Loading)阶段是“类加载”(Class Loading)过程的第一个阶段，在此阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：
  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。
• 加载阶段完成之后，虚拟机外部的二进制文件按照虚拟机所需的格式存储在方法区中，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，然后在内存中实例化一个 java.lang.Class类对象。
• 加载阶段与连接阶段(如一部分字节码文件格式验证动作)是交叉运行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段。

验证

• 验证是连接阶段的第一步，目的是为了确保 Class文件的字节流中包含的信息是否符合当前虚拟机的要求，并不会危害虚拟机自身的安全。
• 验证阶段大致分为四个阶段的校验动作
  1. 文件格式验证
     第一阶段要验证字节流是否符合 Class文件格式规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。
     • 是否以魔数 0xCAFEBABE开头。
     • 主，此版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。
     • 常量池的产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。
     • CONSTANT_Utf8_info 类型的常量是否有不符合 UTF-8编码的数据。
     • Class 文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。
  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。
     • 这个类是否有父类(除了 Object之外)。
     • 这个类的父类是否继承了不被允许继承的类(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(如：父类 final字段，或者出现不符合规则的方法重载)。
  3. 字节码验证
     这个阶段的验证是最复杂的一个阶段，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。保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的时间。
     • 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(如：操作栈的一个 int类型在使用时却按 long类型加载)。
     • 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。
  4. 符号码验证
     在虚拟机将符号应用转化为直接应用的时候，这个转化动作将在连接的第三个阶段---解析阶段发生。符号应用验证可以看做是对类自身以外(常量池中的各种符号应用)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(private，protected，public，default)是否可被当前类访问。

准备

• 准备阶段是正式为类变量分配内存并且设置变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。
• public static int value = 123;
  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，存放于构造器 <clint>()方法之中，所以把 value赋值为 123的动作将在初始化阶段才会被执行。
• public static final int value = 123;
  编译时 Javac将会为 value生成 ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据 ConstantValue的设置将 value赋值 123.

解析

• 解析阶段是虚拟机将常量池内的符号应用替换直接应用的过程。

1. 符号引用(Symbolic References)：符号引用以一组符号描述所引用的目标，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，引用的目标并不一定已经加载到内存中。
2. 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有关的，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。

初始化

• 类初始化阶段是类加载过程的最后一部，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(字节码)。
• 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{})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。

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