Java类加载机制(一)

1、专业术语描述

首先我们要了解一下Java的内存管理

程序计数器(线程私有)

程序计数器是一块内存较小的内存空间，它的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。在多线程的环境中，线程的执行通过轮流切换并分配处理器执行的时间方式来实现，线程切换过程中要保存指令的位置，每个线程都需要有个单独的程序计数器，各线程之间互不影响，我们称这类区域是线程私有的内存。该内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈(线程私有)

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，生命周期和线程想相同。虚拟机描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法执行都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

• 每个线程都有自己独立的栈空间
• 线程栈只存基本类型和对象地址
• 方法中局部变量在线程空间中

本地方法栈(线程私有)

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法服务。而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Ntaive方法服务。虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定，因此具体的虚拟机可以自由实现它。

Java堆(线程共享)

对于大多数应用来说，java堆是Java虚拟机所管理的内存最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此区域唯一的目的就是存放对象实例。几乎所有的对象实例都是在这里分配内存。所有的对象实例以及数组都要在堆上分配，但是随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术的逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将导致一些微妙的变化，所有对象都在堆上分配内存变得不是那么“绝对”了。

方法区(线程共享)

方法区和堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的其中主要存储加载的类字节码、class/method/field等元数据对象、static-final常量、static变量、jit编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是他却有个别名非堆，目的应该是与Java堆区分开。

1. 加载的类字节码：要使用一个类，首先需要将其字节码加载到JVM的内存中。至于类的字节码来源，可以多种多样，如.class文件、网络传输、或cglib字节码框架直接生成。
2. class/method/field等元数据对象：字节码加载之后，JVM会根据其中的内容，为这个类生成Class/Method/Field等对象，它们用于描述一个类，通常在反射中用的比较多。不同于存储在堆中的java实例对象，这两种对象存储在方法区中。
3. static-final常量、static变量：对于这两种类型的类成员，JVM会在方法区为它们创建一份数据，因此同一个类的static修饰的类成员只有一份；
4. jit编译器的编译结果：以hotspot虚拟机为例，其在运行时会使用JIT即时编译器对热点代码进行优化，优化方式为将字节码编译成机器码。通常情况下，JVM使用“解释执行”的方式执行字节码，即JVM在读取到一个字节码指令时，会将其按照预先定好的规则执行栈操作，而栈操作会进一步映射为底层的机器操作；通过JIT编译后，执行的机器码会直接和底层机器打交道。

运行时常量池(线程共享)

运行时常量池是方法的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外还有一项信息是常量池，用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区额运行时常量池中。

直接内存(线程共享)

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfNMemoryErrot异常出现，所以我们放到一起讲解。

Java1.4新加入NIO（NEW Input/Output）类引入一种基于通道与缓存区的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外的内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBufferd对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。也会出现OutOfMemoryErrot异常。

2、类加载过程

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError错误）如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误

其中类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中，加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的，而解析阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段

加载：查找并加载类的二进制数据

加载时类加载过程的第一个阶段，在加载阶段，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其定义的二进制字节流。
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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段（准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

加载阶段完成后，虚拟机外部的 二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

连接

验证：确保被加载的类的正确性

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以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类型。

元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。

字节码验证：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。

符号引用验证：确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值

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，这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意：

1、这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。
2、这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

假设一个类变量的定义为：public static int value = 3；

那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为3的putstatic指令是在程序编译后，存放于类构造器（）方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。

3、如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，即同时被final和static修饰，那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstValue属性所指定的值。

假设上面的类变量value被定义为： public static final int value = 3；

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赋值为3。回忆上一篇博文中对象被动引用的第2个例子，便是这种情况。我们可以理解为static final常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中

解析：把类中的符号引用转换为直接引用

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，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。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。

直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

初始化

初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：

①声明类变量是指定初始值

②使用静态代码块为类变量指定初始值

JVM初始化步骤

1、假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类

2、假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类

3、假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句

类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下8种：

– 创建类的实例，也就是new的方式

– 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值

– 调用类的静态方法

– 反射（如Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)）

– 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化

– Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（Java Test），直接使用java.exe命令来运行某个主类

– 当使用JDK 7新加入的动态语言支持时,如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpececial四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

– 当一个接口中定义了JDK8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

本文作者： 顾 明 训
本文链接： https://www.itzones.cn/2020/02/17/Java类加载机制-一/
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