JVM（五）----虛擬機器類載入機制

虛擬機器把描述類的資料從Class檔案載入到記憶體，並對資料進行校驗，型別的載入、連線和初始化，最終形成可以被虛擬機器直接使用的Java型別，這就是虛擬機器的類載入機制。

JVM類載入機制分為五個部分：載入，驗證，準備，解析，初始化，如下圖：

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• 載入

載入是類載入過程中的一個階段，這個階段會在記憶體中生成一個代表這個類的java.lang.Class物件，作為方法區這個類的各種資料的入口。注意這裡不一定非得要從一個Class檔案獲取，這裡既可以從ZIP包中讀取（比如從jar包和war包中讀取），也可以在執行時計算生成（動態代理），也可以由其它檔案生成（比如將JSP檔案轉換成對應的Class類）。

• 驗證
  這一階段的主要目的是為了確保Class檔案的位元組流中包含的資訊是否符合當前虛擬機器的要求，並且不會危害虛擬機器自身的安全。
  1.檔案格式驗證
  2.後設資料驗證
  3.位元組碼驗證
  4.符號引用驗證

• 準備

準備階段是正式為類變數分配記憶體並設定類變數（被static修飾）的初始值階段，即在方法區中分配這些變數所使用的記憶體空間。注意這裡所說的初始值概念，比如一個類變數定義為：
public static int v = 123;
實際上變數 v 在準備階段過後的初始值為0而不是123，將v賦值為123的putstatic指令是程式被編譯後，存放於類構造器<client>方法之中，所以把value賦值為123的動作將在初始化階段才會執行這裡我們後面會解釋。
但是注意如果宣告為：
public static final int v = 123;
在編譯階段會為v生成ConstantValue屬性，在準備階段虛擬機器會根據ConstantValue屬性將v賦值為123。

• 解析

解析階段是指虛擬機器將常量池中的符號引用替換為直接引用的過程。符號引用就是class檔案中的：
CONSTANT_Class_info
CONSTANT_Field_info
CONSTANT_Method_info 等型別的常量。

下面解釋一下符號引用和直接引用的概念：

• 符號引用與虛擬機器實現的佈局無關，引用的目標並不一定要已經載入到記憶體中。各種虛擬機器實現的記憶體佈局可以各不相同，但是它們能接受的符號引用必須是一致的，因為符號引用的字面量形式明確定義在Java虛擬機器規範的Class檔案格式中。

• 直接引用可以是指向目標的指標，相對偏移量或是一個能間接定位到目標的控制程式碼。如果有了直接引用，那引用的目標必定已經在記憶體中存在。

• 初始化
  初始化階段是類載入最後一個階段，前面的類載入階段之後，除了在載入階段可以自定義類載入器以外，其它操作都由JVM主導。到了初始階段，才開始真正執行類中定義的Java程式程式碼。

虛擬機器對於類的初始化階段嚴格規定了有且僅有隻有5種情況如果對類沒有進行過初始化，則必須對類進行“初始化”！

1. 遇到new、讀取一個類的靜態欄位（getstatic）、設定一個類的靜態欄位（putstatic）、呼叫一個類的靜態方法（invokestatic）。

2. 使用java.lang.reflect包的方法對類進行反射呼叫時。

3. 當類初始化一個類的時候，如果發現其父類還沒有進行過初始化，則需要先觸發其父類的初始化。（如果是介面，則不必觸發其父類初始化）

4. 當虛擬機器執行一個main方法時，會首先初始化main所在的這個主類。

5. 當只用jdk1.7的動態語言支援時，如果一個java.lang.invoke.MethodHandle例項最後的解析結果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法控制程式碼，並且這個方法控制程式碼所對應的類沒有進行過初始化，則需要先觸發其初始化。
   上面5種場景是有且僅有，稱之為“主動引用”，只有滿足上述5種場景之一，才會觸發對類進行初始化。

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注意以下幾種情況不會執行類初始化：

• 透過子類引用父類的靜態欄位，只會觸發父類的初始化，而不會觸發子類的初始化。

• 定義物件陣列，不會觸發該類的初始化。

• 常量在編譯期間會存入呼叫類的常量池中，本質上並沒有直接引用定義常量的類，不會觸發定義常量所在的類。

• 透過類名獲取Class物件，不會觸發類的初始化。

• 透過Class.forName載入指定類時，如果指定引數initialize為false時，也不會觸發類初始化，其實這個引數是告訴虛擬機器，是否要對類進行初始化。

• 透過ClassLoader預設的loadClass方法，也不會觸發初始化動作。

初始化階段是執行類構造器<clinit>方法的過程。<clinit>方法是由編譯器自動收集類中的類變數的賦值操作和靜態語句塊中的語句合併而成的。虛擬機器會保證<clinit>方法執行之前，父類的<clinit>方法已經執行完畢,因此在虛擬機器中第一個被執行的<clinit>()方法的類肯定是java.lang.Object。

由於父類的<clinit>()方法先執行，也就意味著父類中定義的靜態語句塊要優於子類的變數賦值操作。

p.s: 如果一個類中沒有對靜態變數賦值也沒有靜態語句塊，那麼編譯器可以不為這個類生成<clinit>()方法。

• 類載入器

虛擬機器設計團隊把載入動作放到JVM外部實現，以便讓應用程式決定如何獲取所需的類，JVM提供了3種類載入器：

啟動類載入器(Bootstrap ClassLoader)：負責載入 JAVA_HOMElib 目錄中的，或透過-Xbootclasspath引數指定路徑中的，且被虛擬機器認可（按檔名識別，如rt.jar）的類。
擴充套件類載入器(Extension ClassLoader)：負責載入 JAVA_HOMElibext 目錄中的，或透過java.ext.dirs系統變數指定路徑中的類庫。
應用程式類載入器(Application ClassLoader)：負責載入使用者路徑（classpath）上的類庫。
JVM透過雙親委派模型進行類的載入，當然我們也可以透過繼承java.lang.ClassLoader實現自定義的類載入器。

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當一個類載入器收到類載入任務，會先交給其父類載入器去完成，因此最終載入任務都會傳遞到頂層的啟動類載入器，只有當父類載入器無法完成載入任務時，才會嘗試執行載入任務。

採用雙親委派的一個好處是比如載入位於rt.jar包中的類java.lang.Object，不管是哪個載入器載入這個類，最終都是委託給頂層的啟動類載入器進行載入，這樣就保證了使用不同的類載入器最終得到的都是同樣一個Object物件。

作者：小北覓
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