虚拟机类加载机制（一）

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本文章是从《深入理解Java虚拟机》第三版，周志明著中摘抄下来的，手敲的文章，可能会有打错字的情况请谅解。主要的目的是学习经典书籍中的知识，选择自己可能感兴趣的部分进行摘抄加深印象

代码编译的结果从本地机器码转变为字节码，是存储格式发展的一小步，却是编程语言发展的一大步。

1.概述

上一章我们学习了Class文件存储格式的具体细节，在Class文件中描述的各类信息，最终都需要加载到虚拟机中之后才能被运行和使用。而虚拟机时如何加载这些Class文件，Class文件的信息进入到虚拟机后会发生什么变化，这些都是本章要讲解的内容。

Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。与那些在编译时需要进行连接的语言不同，在Java语言里面，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的，这种策略让Java语言进行提前编译会面临额外的困难，也会让类加载时稍微增加一些性能开销，但是却为Java应用提供了极高的扩展性和灵活性，Java天生可以动态扩展的语言特性就是以来运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。例如，编写一个面向接口的应用程序，可以等到运行时再指定其实际的实现类，用户可以通过Java预置的或自定义类加载器，让某个本地的应用程序在运行时从网络或其他地方上加载一个二进制流作为其程序代码的一部分，这种动态组装应用的方式目前已广泛应用于Java程序之中，从最基础的Applet、JSP到相对复杂的OSGi技术，都依赖着Java语言运行期类加载才得以诞生。

为了避免语言表达中可能产生的偏差，在正式开始本章以前，笔者先设定两个语言上的约定：

第一，在实际情况中，每个Class文件都有代表着Java语言中的一个类或接口的可能，后文中直接对“类型”的描述都同事蕴含类和接口的可能性，而需要对类和接口分开描述的场景，笔者会特别指明；

第二，与前面介绍Class为文件格式时的约定一致，本章所提到的“Class文件”也并非特质某个存在于具体磁盘中的文件，而应当是一串二进制字节流，无论其以何种形式存在，包括但不限于磁盘文件、网络、数据库、内存或动态产生等。

2.类加载的时机

一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，他的整个生命周期将会经历加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分统称为连接。这七个阶段的发生顺序如图所示

图中，加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是正确的，类型的加载过程必须按照这种顺序按部就班的开始，而解析阶段则不一定：他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语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）。请注意，这里笔者写的是按部就班的“开始”，而不是按部就班的“进行”或按部就班的“完成”，强调这点是因为这些阶段通常都是相互交叉的混合进行的，会在一个阶段执行的过程中调用、激活另一个阶段

关于在什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段“加载”，《Java虚拟机规范》中并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，《Java虚拟机规范》则是严格规定了有且只有六种必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然要在此之前开始）：

遇到new 、getstatic、 putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型Java代码场景有：

使用new关键字实例化对象的时候。
读取或设置一个类型的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放回常量池的静态字段除外）的时候
调用一个类型的静态方法的时候

使用java.lang.reflect 包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
当初始化类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main() 方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
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_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄，而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，那么该接口要在其之前被初始化。

对于这六种会触发类型进行初始化的场景，《Java虚拟机规范》中使用了一个非常强烈的限定语 —— “有且只有”，这六种场景中的行为被称为对一个类型进行**主动引用。除此之外，所有引用类型的方法都不会触发初始化，被称为被动引用 **。下面举三个例子来说明何为被动引用，分别见代码清单。

代码清单1，被动引用的例子之一

package org.fenixsoft.classloading;

public class SuperClass{
	static {
    	System.out.println("SuperClass init!");
    }
    public static int value = 123;
}

public class SubClass extends SuperClass {
	static {
    	System.out.println("SubClass init!");
    }
}

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

上述代码运行之后，只会输出“SuperClass init！”，而不会输出“SubClass init！”。对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。至于是否要触发子类的加载和验证阶段，在《Java虚拟机规范》中并未明确规定，所以这点取决于虚拟机的具体实现。对于HotSpot虚拟机来说，可通过-XX：+TraceClassLoading参数观察到此操作是会导致子类加载的。

代码清单2 被动引用的例子之二

package org.fenixsoft.classloading;

public class NotInitialization {
	public static void main(String[] args) {
    	SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
    }
}

为了节省版面，这段代码复用了代码清单1中的SuperClass，运行之后发现并没有输出“SuperClass init！”，说明并没有触发类org.fenixsoft.classloading.SuperClass的初始化阶段。但是这段代码里面触发了另一个名为“[Lorg.fenixsoft.classloading.SuperClass”的类的初始化阶段，对于用户代码来说，这并不是一个合法的类型名称，他是一个由虚拟机自动生成的、直接继承于java.lang.Object的子类，创建动作由字节码指令newarray触发。

这个类代表了一个元素类型为org.fenixsoft.classloading.SuperClass的一维数组，数组中应有的属性和方法（用户可直接使用的只有被修饰为public的length属性和clone() 方法）都实现在这个类里。Java语言中对数组的访问要比C/C++相对安全，很大程度上就是因为这个类包装了数组元素的访问，而C/C++中则是直接翻译为数组指针的移动。在Java语言中，当检查到发生数组越界时会抛出java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常，避免了直接造成非法内存访问。

代码清单3 被动引用的例子之三

package org.fenixsoft.classloading;

/**
* 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上没有进行直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化 
**/
public class ConstClass {
	static {
    	System.out.println("ConstClass init!");
    }
    public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}

public class NonInitialiazation {
	public static void main(String[] args) {
    	System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
    }
}

上述代码运行之后，也没有输出“ConstClass init!” ，这是因为虽然在Java源码中确实引用了ConstClass类的常量HELLOWORLD，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值:"hello world"直接存储在NonInitialization类的常量池中，以后NonInitialization对常量ConstClass.HELLOWORLD的引用，实际都被转化为NonInitialization类对自身常量池的引用了。也就是说，实际上NonInitialization的Class文件之中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译成Class后就已不存在任何联系了。

接口的加载过程和类加载的过程稍有不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口也有初始化过程，这点与类时一直的，上面的代码都是用静态代码块"static{}"来输出初始化信息的。而接口中不能使用"static{}" 代码块，但编译器依然会为接口生成"()"类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类真正有所区别的时前面讲述的六种“有且仅有”需要触发初始化场景的第三种：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不会要求父类接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

此章节只介绍到第二节，接下来会继续更新虚拟机类加载机制部分的第三节类加载的过程，包含：加载、验证、准备、解析、初始化等等。