Java虚拟机类加载机制

  Java虚拟机管理类和对象的生命周期；

（1）类的生命周期从类被加载，连接，初始化开始，到类被卸载结束；

（2）类处于生命周期时，它的二进制数据位于运行时方法区内，在堆区还有一个相应的描述类的Class类的对象；

（3）只有当类处于生命周期中时，Java程序才能够使用它。

1.Java虚拟机及程序的生命周期

（1）通过java命令运行一个Java程序时，启动一个Java虚拟机进程；

（2）Java虚拟机进程从启动到终止的过程，称为Java虚拟机生命周期；

（3）程序生命周期和Java虚拟机生命周期是一致的，因为Java虚拟机进程从创建起的任务就是执行Java程序。

2.类的加载，连接和初始化

a.Java程序要使用某个类时，Java虚拟机要确保这个类被加载，连接和运行，其中连接包括验证，准备和解析。

b.加载：查找并加载类的二进制数据；

c.连接

  c.1 验证：确保加载类的正确性；

  c.2 准备：为静态变量分配内存，并将其初始化为默认值；

  c.3 解析：将类中的符号引用转换为直接引用。

d初始化：

   给类的静态变量赋予正确的初始值

（1）加载(加载的最终目标是实现将编译后的class文件（class文件采用字节码，是JVM的机器语言）装入内存运行时数据区的方法区中，并在内存运行时数据区的堆区生成一个class对象，这个对象可以引用到方法区中的类定义)

     1.1 加载需要完成：

       1.1.1 将类的.class文件中的二进制数据读到内存中的运行时数据区的方法区；

       1.1.2 在堆区创建一个java.lang.Class对象（对象都放在堆区），用于封装类在方法区内的数据结构。

     1.2 加载的最终产品是位于运行时数据区堆区的java.lang.Class对象，Class对象封装了类在方法区的数据结构，并向Java程序提供访问类在方法区内的数据结构的接口

     1.3 类的加载由加载器完成

        1.3.1 Java虚拟机自带的加载器（如果Java虚拟机是一个C++程序，则这些加载器是这个C++程序的一部分）

                 包括启动类加载器，扩展类加载器和系统类加载器《后两个都是java.lang.Class类的实例》

        1.3.2 用户自定义的类加载器

                 java.lang.Class的子类的实例，用户可以通过它定制类的加载方式（用户自定义的类加载器使Java具有动态连接的特性，即Java无需在编译时确定需要的组件<类>，在运行时动态确定需要加载的类）

     类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载过程中遇到.class文件缺失，类加载器等到程序首次调用类的时候报错    

     Java中的类加载器采用父亲委托机制，使用加载器加载类是，首先看其父亲是否能够完成类的加载，如果可以，则由父亲完成类的加载，返回加载的类的java.lang.Class对象，注意，加载器之间的父子关系并不是java中普通的继承关系，而是一种包含关系，具有父子关系的类也许是不同的类型。

（2）连接

       在连接阶段对静态变量分配内存（静态变量是类作用域变量，仅在类加载时分配一次内存），并赋予默认值。

（3）初始化

       类的初始化过程是执行类的初始化语句，包括静态变量的声明语句，以及静态代码块，静态代码块的作用即是为静态变量赋初始化值。

虚拟机类加载机制：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。

Java语言里，类型的加载和连接过程是在程序运行期间完成的。

类的生命周期：

　　加载 loading

　　验证 verification

　　准备 preparation

　　解析 resolution

　　初始化 initialization

　　使用 using

　　卸载 unloading

有且只有以下四种情况必须立即对类进行”初始化”(称为对一个类进行主动引用)：

1. 遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这四条字节码指令时(使用new实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段、调用一个类的静态方法)。
2. 使用java.lang.reflet包的方法对类进行反射调用的时候。
3. 当初始化一个类的时候，如果发现其负类没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
4. 当虚拟机启动时，虚拟机会初始化主类(包含main方法的那个类)。

被动引用：

1. 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化(对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化)。
2. 通过数组定义类应用类：ClassA [] array=new ClassA[10]。触发了一个名为[LClassA的类的初始化，它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承于Object的类，创建动作由字节码指令newarray触发。
3. 常量会在编译阶段存入调用类的常量池。

编译器会为接口生成<clinit>()构造器，用于初始化接口中定义的成员变量。一个接口在初始化时，并不要求其父类接口全部完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候才会初始化。

1.      加载

1. 通过一个类的全限定名来获取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java堆中生成一个代表这个类的Class对象，作为方法区这些数据的访问入口。

2.      验证

验证：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。

虚拟机规范：如果验证到输入的字节流不符合Class文件的存储格式，就抛出一个java.lang.VerifyError异常或其子类异常。

1. 文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。这个阶段的验证时给予字节流进行的，经过了这个阶段的验证之后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储所以后面的验证阶段都是给予方法区的存储结构进行的。
2. 元数据验证：对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合java语言规范的元数据信息。
3. 字节码验证：进行数据流和控制流分析，对类的方法体进行校验分析，保证被校验的类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。
4. 符号引用验证：发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候(解析阶段)，对常量池中的各种符号引用的信息进行匹配性的校验。

3.      准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值(各数据类型的零值)的阶段，这些内存将在方法区中进行分配。但是如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量值就会初始化为ConstantValue属性指定的值。

public static final int value=122;

4.      解析

解析阶段是在虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

符号引用：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。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。

直接引用：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或者一个能间接定位到目标的句柄。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

　　A.    类或接口(对应于常量池的CONSTANT_Class_info类型)的解析：

假设当前代码所处的类为D，需要将一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用：

1. 如果C不是一个数组类型，虚拟机将会把代表C的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类。
2. 如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象(N的描述符类似[Ljava.lang.Integer)，将会加载数组元素类型(java.lang.Integer)，接着由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。
3. 如果以上过程没有发生异常，则C在虚拟机中已经成为了一个有效的类和接口了，之后还要进行的是符号引用验证，确认D是否具有对C的访问权限，如果没有，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

　　B.     字段(对应于常量池的CONSTANT_Fieldref_info类型)解析：

1. 对字段表中的class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析。用C表示这个字段所属的类或接口。
2. 如果C本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用。
3. 否则，如果C实现了接口，则会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和他的父接口，如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用。
4. 否则，如果C不是java.lang.Object类型的话，将会按照继承关系从下往上递归的搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用。
5. 否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

虚拟机的编译器实现可能会更严格：如果一个同名字段同时出现在C实现的接口和父类中，或者同时在自己或父类的多个接口中出现，编译器将可能拒绝编译。

　　C.     类方法(对应于常量池的CONSTANT_Methodref_info类型)解析：

1. 对方法表中的class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析。用C表示这个方法所属的类或接口。
2. 类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class_index中索引的C是个接口，则抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError。
3. 在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用。
4. 否则，在C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用。
5. 否则，在C实现的接口列表及它们的父接口中递归的查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有说明C是个抽象类，查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
6. 否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。
7. 如果查找返回了直接引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不具备对这个方法的访问权限，则抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

　　D.    接口方法(对应于常量池的CONSTANT_InterfaceMethodref_info类型)：

1. 对方法表中的class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析。用C表示这个方法所属的类或接口。
2. 如果在接口方法表中发现class_index中索引的C是个类，则抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError。
3. 否则，在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用。
4. 否则，在接口C的父接口中递归查找，知道java.lang.Object类(包括在内)，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用。
5. 否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。

5.      初始化

初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

1. <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{}块)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决定的。静态语句块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中可以赋值，但是不能访问。

　　2. 方法与实例构造器<init>()不同，不需要显示的调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()已经执行完毕。

　　3. <clinit>()方法对于类或接口来说不是必须的，如果一个类中没有静态语句块也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法。

　　4. 执行接口的<clinit>()不需要先执行父接口的<clinit>()方法，只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。接口的实现类在初始化时也不会执行接口的<clinit>()方法。

 　　5. 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确的加锁和同步，如果多个线程同时去初始化一个类，则只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程需要阻塞等待。