[深入理解Java虚拟机]类加载机制

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。而虚拟机如何加载这些Class文件，Class文件中的信息进入到虚拟机后会发生什么变化，这些都是本章将要讲解的内容。 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依赖运行期动 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，笔者先设立两个语言上的约定：

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”的描述都同时蕴含着类和接口的可能性，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文件格式时的约定一致，本章所提到的“Class文件”也并非特指某个存在于 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、内存或者动态产生等。

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，它的整个生命周期将会经历

  • 加载 （Loading）
  • 验证（Verification）
  • 准备（Preparation）
  • 解析（Resolution）
  • 初始化 （Initialization）
  • 使用（Using）
  • 卸载（Unloading）

七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分统称为链接（Linking）。

这七个阶段的发生顺序如图7-1所示。

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图7-1中，加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类型的加载过程必须按 照这种顺序按部就班地开始，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 按部就班地“开始”，而不是按部就班地“进行”或按部就班地“完成”，强调这点是因为这些阶段通常都 是互相交叉地混合进行的，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情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之 前开始）：

1）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入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。

2）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。

  • 获取类的Class对象：可以使用Class.forName()方法传入类的完整名称，或者使用对象.getClass()方法获取已知对象的Class对象。
  • 获取类的成员：通过Class对象的相关方法（如getFields()、getMethods()、getDeclaredFields()、getDeclaredMethods()等）获取类的字段、方法、构造函数等成员。
  • 调用类的方法或字段：通过获取到的成员对象，使用相关方法（如invoke()、set()、get()等）进行调用或操作。

3）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。
4）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。
5）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，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。
6）当一个接口中定义了JDK 8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。

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，所有引用类型的方式都不会触发初始化，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7-1、代码清单7-2和代码清单7-3。

代码清单7-1 被动引用的例子之一

package org.fenixsoft.classloading; 
/** 
* 被动使用类字段演示一： 
* 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化 
**/ 
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!"); 
	} 
} 
/** 
* 非主动使用类字段演示 
**/ 
public class NotInitialization { 
	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7-2 被动引用的例子之二

package org.fenixsoft.classloading; 
/** 
* 被动使用类字段演示二： 
* 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化 
**/ 
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7-1中的SuperClass，运行之后发现没有输出“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，它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[1]，而 C/C++中则是直接翻译为对数组指针的移动。在Java语言里，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7-3 被动引用的例子之三

package org.fenixsoft.classloading; 
/** 
* 被动使用类字段演示三： 
* 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上没有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"; 
} 
/** 
* 非主动使用类字段演示 
**/ 
public class NotInitialization { 
	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NotInitialization类的常量池中，以后NotInitialization对常量 ConstClass.HELLOWORLD的引用，实际都被转化为NotInitialization类对自身常量池的引用了。也就是 说，实际上NotInitialization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文件后就已不存在任何联系了。

接口的加载过程与类加载过程稍有不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口也有初始化过程，这点与类是一致的，上面的代码都是用静态语句块“static{}”来输出初始化信息的，而接口中不能使用“static{}”语句块，但编译器仍然会为接口生成<clinit>()类构造器[2]，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是前面讲述的六种“有且仅有”需要触发初始化场景中的第三种： 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，并不要求其父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。

[1] 准确地说，越界检查不是封装在数组元素访问的类中，而是封装在数组访问的xaload、xastore字节 码指令中。

[2] 关于类构造器<clinit>()和方法构造器<init>()的生成过程和作用，可参见第10章的相关内容。

类加载的过程#

接下来我们会详细了解Java虚拟机中类加载的全过程，即加载、验证、准备、解析和初始化这五个阶段所执行的具体动作。

加载#

加载（Loading）阶段是整个“类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段，希望读者没有混淆，这两个看起来很相似的名词。

在加载阶段，Java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。

Class对象加载到堆中，而类的类型信息加载到方法区（或元空间）中

《Java虚拟机规范》对这三点要求其实并不是特别具体，留给虚拟机实现与Java应用的灵活度都是相当大的。例如通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流这条规则，它并没有指明二进制字节流必须得从某个Class文件中获取，确切地说是根本没有指明要从哪里获取、如何获取。

仅仅这一点空隙，Java虚拟机的使用者们就可以在加载阶段搭构建出一个相当开放广阔的舞台，Java发展历程中，充满创造力的开发人员则在这个舞台上玩出了各种花样，许多举足轻重的Java技术都建立在这一基础之上，例如：

  • 从ZIP压缩包中读取，这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。
  • 从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Web Applet。
  • 运行时计算生成，这种场景使用得最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass()来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流。
  • 由其他文件生成，典型场景是JSP应用，由JSP文件生成对应的Class文件。
  • 从数据库中读取，这种场景相对少见些，例如有些中间件服务器（如SAP Netweaver）可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。
  • 可以从加密文件中获取，这是典型的防Class文件被反编译的保护措施，通过加载时解密Class文件来保障程序运行逻辑不被窥探。

相对于类加载过程的其他阶段，非数组类型的加载阶段（准确地说，是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作）是开发人员可控性最强的阶段。加载阶段既可以使用Java虚拟机里内置的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式（重写一个类加载器的findClass()或loadClass()方法），实现根据自己的想法来赋予应用程序获取运行代码的动态性。

对于数组类而言，情况就有所不同，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型（Element Type，指的是数组去掉所有维度的类型）最终还是要靠类加载器来完成加载，一个数组类（下面简称为C）创建过程遵循以下规则：

  • 如果数组的组件类型（Component Type，指的是数组去掉一个维度的类型，注意和前面的元素类型区分开来）是引用类型，那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组C将被标识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上（这点很重要，在7.4节会介绍，一个类型必须与类加载器一起确定唯一性）。
  • 如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组的组件类型为int），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联。
  • 数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致，如果组件类型不是引用类型，它的数组类的 可访问性将默认为public，可被所有的类和接口访问到。

加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义，《Java虚拟机规范》未规定此区域的具体数据结构。类型数据妥善安置在方法区之后，会在Java堆内存中实例化一个java.lang.Class类的对象， 这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口。

加载阶段与连接阶段的部分动作（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的一部分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

验证#

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚 拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。 Java语言本身是相对安全的编程语言（起码对于C/C++来说是相对安全的），使用纯粹的Java代码 无法做到诸如访问数组边界以外的数据、将一个对象转型为它并未实现的类型、跳转到不存在的代码 行之类的事情，如果尝试这样去做了，编译器会毫不留情地抛出异常、拒绝编译。但前面也曾说过， Class文件并不一定只能由Java源码编译而来，它可以使用包括靠键盘0和1直接在二进制编辑器中敲出 Class文件在内的任何途径产生。上述Java代码无法做到的事情在字节码层面上都是可以实现的，至少 语义上是可以表达出来的。Java虚拟机如果不检查输入的字节流，对其完全信任的话，很可能会因为 载入了有错误或有恶意企图的字节码流而导致整个系统受攻击甚至崩溃，所以验证字节码是Java虚拟 机保护自身的一项必要措施。 验证阶段是非常重要的，这个阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻 击，从代码量和耗费的执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载过程中占了相当大 的比重。但是《Java虚拟机规范》的早期版本（第1、2版）对这个阶段的检验指导是相当模糊和笼统 的，规范中仅列举了一些对Class文件格式的静态和结构化的约束，要求虚拟机验证到输入的字节流如 不符合Class文件格式的约束，就应当抛出一个java.lang.VerifyError异常或其子类异常，但具体应当检查 哪些内容、如何检查、何时进行检查等，都没有足够具体的要求和明确的说明。直到2011年《Java虚 拟机规范（Java SE 7版）》出版，规范中大幅增加了验证过程的描述（篇幅从不到10页增加到130 页），这时验证阶段的约束和验证规则才变得具体起来。受篇幅所限，本书中无法逐条规则去讲解， 但从整体上看，验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节 码验证和符号引用验证。

1.文件格式验证

第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。这一阶段可能包括下面这些验证点：

  • 是否以魔数0xCAFEBABE开头。
  • 主、次版本号是否在当前Java虚拟机接受范围之内。
  • 常量池的常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型的常量中是否有不符合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。

实际上第一阶段的验证点还远不止这些，上面所列的只是从HotSpot虚拟机源码[1]中摘抄的一小部分内容，该验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，格式上符 合描述一个Java类型信息的要求。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的 验证之后，这段字节流才被允许进入Java虚拟机内存的方法区中进行存储，所以后面的三个验证阶段 全部是基于方法区的存储结构上进行的，不会再直接读取、操作字节流了。

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，这个阶段可能包括的验证点如下：

  • 这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）。

  • 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（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（例如覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的方 法重载，例如方法参数都一致，但返回值类型却不同等）。

第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在与《Java语言规范》定义相 悖的元数据信息。

3.字节码验证

第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是通过数据流分析和控制流分析，确定 程序语义是合法的、符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型校验完毕以后，这阶段就要 对类的方法体（Class文件中的Code属性）进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害 虚拟机安全的行为，例如： - 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，例如不会出现类似于“在操作 栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中”这样的情况。 ·保证任何跳转指令都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总是有效的，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这是安全 的，但是把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个 数据类型，则是危险和不合法的。 ·…… 如果一个类型中有方法体的字节码没有通过字节码验证，那它肯定是有问题的；但如果一个方法 体通过了字节码验证，也仍然不能保证它一定就是安全的。即使字节码验证阶段中进行了再大量、再 严密的检查，也依然不能保证这一点。这里涉及了离散数学中一个很著名的问题——“停机问 题”（Halting Problem）[2]，即不能通过程序准确地检查出程序是否能在有限的时间之内结束运行。在 我们讨论字节码校验的上下文语境里，通俗一点的解释是通过程序去校验程序逻辑是无法做到绝对准 确的，不可能用程序来准确判定一段程序是否存在Bug。 由于数据流分析和控制流分析的高度复杂性，Java虚拟机的设计团队为了避免过多的执行时间消 耗在字节码验证阶段中，在JDK 6之后的Javac编译器和Java虚拟机里进行了一项联合优化，把尽可能 多的校验辅助措施挪到Javac编译器里进行。具体做法是给方法体Code属性的属性表中新增加了一项名 为“StackMapTable”的新属性，这项属性描述了方法体所有的基本块（Basic Block，指按照控制流拆分 的代码块）开始时本地变量表和操作栈应有的状态，在字节码验证期间，Java虚拟机就不需要根据程 序推导这些状态的合法性，只需要检查StackMapTable属性中的记录是否合法即可。这样就将字节码验 证的类型推导转变为类型检查，从而节省了大量校验时间。理论上StackMapTable属性也存在错误或被 篡改的可能，所以是否有可能在恶意篡改了Code属性的同时，也生成相应的StackMapTable属性来骗过 虚拟机的类型校验，则是虚拟机设计者们需要仔细思考的问题。 JDK 6的HotSpot虚拟机中提供了-XX：-UseSplitVerifier选项来关闭掉这项优化，或者使用参数 XX：+FailOverToOldVerifier要求在类型校验失败的时候退回到旧的类型推导方式进行校验。而到了 JDK 7之后，尽管虚拟机中仍然保留着类型推导验证器的代码，但是对于主版本号大于50（对应JDK 6）的Class文件，使用类型检查来完成数据流分析校验则是唯一的选择，不允许再退回到原来的类型 推导的校验方式。

4.符号引用验证

最后一个阶段的校验行为发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用[3]的时候，这个转化动作将在 连接的第三阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看作是对类自身以外（常量池中的各种符号 引用）的各类信息进行匹配性校验，通俗来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部 类、方法、字段等资源。本阶段通常需要校验下列内容：

·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、方法的可访问性（private、protected、public、）是否可被当前类访问。

符号引用验证的主要目的是确保解析行为能正常执行，如果无法通过符号引用验证，Java虚拟机 将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError的子类异常，典型的如： java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。 验证阶段对于虚拟机的类加载机制来说，是一个非常重要的、但却不是必须要执行的阶段，因为 验证阶段只有通过或者不通过的差别，只要通过了验证，其后就对程序运行期没有任何影响了。如果 程序运行的全部代码（包括自己编写的、第三方包中的、从外部加载的、动态生成的等所有代码）都 已经被反复使用和验证过，在生产环境的实施阶段就可以考虑使用-Xverify：none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。

[1] JDK 12源码中的位置：src\hotspot\share\classfile\classFileParser.cpp。 [2] 停机问题就是判断任意一个程序是否会在有限的时间之内结束运行的问题。如果这个问题可以在有 限的时间之内解决，可以有一个程序判断其本身是否会停机并做出相反的行为。这时候显然不管停机 问题的结果是什么都不会符合要求，所以这是一个不可解的问题。具体的证明过程可参考链接 http://zh.wikipedia.org/zh/停机问题。 [3] 关于符号引用和直接引用的具体解释，见7.3.4节。

准备#

准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段，从概念上讲，这些变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配，但必须注意到方法区本身是一个逻辑上的区域，在JDK 7及之前，HotSpot使用永久代来实现方法区时，实现是完全符合这种逻辑概念的；而在JDK 8及之后，类变量则会随着Class对象一起存放在Java堆中，这时候“类变量在方法区”就完全是一种对逻辑概念的表述了，关于这部分内容，笔者已在4.3.1节介绍并且验证过。 关于准备阶段，还有两个容易产生混淆的概念笔者需要着重强调，

  • 首先是这时候进行内存分配的仅包括类变量，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。
  • 其次是这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为： public static int value = 123; 那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器<clinit>()方法之中，所以把value赋值 为123的动作要到类的初始化阶段才会被执行。

表7-1列出了Java中所有基本数据类型的零值。

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上面提到在“通常情况”下初始值是零值，那言外之意是相对的会有某些特殊情况：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被初始化为ConstantValue属性所指定的初始值，假设上面类变量value的定义修改为：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赋值为123。

解析#

解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，符号引用在第6章讲解Class文件格式的时候已经出现过多次，在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现，那解析阶段中所说的直接引用与符号引用又有什么关联呢？

  • 符号引用（Symbolic References）：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是已经加载到虚拟机内存当中的内容。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同， 但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在《Java虚拟机规范》的Class文件格式中。

  • 直接引用（Direct References）：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者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直接相关的，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虚拟机的内存中存在。

《Java虚拟机规范》之中并未规定解析阶段发生的具体时间，只要求了在执行

  • ane-warray、
  • checkcast、
  • getfield、
  • getstatic、
  • instanceof、
  • invokedynamic、
  • invokeinterface、
  • invoke-special、
  • invokestatic、
  • invokevirtual、
  • ldc、
  • ldc_w、
  • ldc2_w、
  • multianewarray、
  • new、
  • putfield和
  • putstatic

这17个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用的符号引用进行解析。

所以虚拟机实现可以根据需要来自行判断，到底是在类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析，还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它。

类似地，对方法或者字段的访问，也会在解析阶段中对它们的可访问性（public、protected、 private）进行检查，至于其中的约束规则已经是Java语言的基本常识，笔者就不再赘述了。

对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情，除invokedynamic指令以外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存，譬如在运行时直接引用常量池中的记录，并把常量标识为已解析状态，从而避免解析动作重复进行。无论是否真正执行了多次解析动作，Java虚拟机都需要保证的是在同一个实体中，如果一个符号引用之前已经被成功解析过，那么后续的引用解析请求就应当一直能够 成功；同样地，如果第一次解析失败了，其他指令对这个符号的解析请求也应该收到相同的异常，哪 怕这个请求的符号在后来已成功加载进Java虚拟机内存之中。 不过对于invokedynamic指令，上面的规则就不成立了。当碰到某个前面已经由invokedynamic指令 触发过解析的符号引用时，并不意味着这个解析结果对于其他invokedynamic指令也同样生效。因为 invokedynamic指令的目的本来就是用于动态语言支持[1]，它对应的引用称为“动态调用点限定符 （Dynamically-Computed Call Site Specifier）”，这里“动态”的含义是指必须等到程序实际运行到这条指令时，解析动作才能进行。相对地，其余可触发解析的指令都是“静态”的，可以在刚刚完成加载阶 段，还没有开始执行代码时就提前进行解析。 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这7 类符号引用进行，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CON-STANT_Fieldref_info、 CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、 CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_Dyna-mic_info和 CONSTANT_InvokeDynamic_info 8种常量类型[2]。下面笔者将讲解前4种引用的解析过程，对于后4 种，它们都和动态语言支持密切相关，由于Java语言本身是一门静态类型语言，在没有讲解清楚 invokedynamic指令的语意之前，我们很难将它们直观地和现在的Java语言语法对应上，因此笔者将延 后到第8章介绍动态语言调用时一起分析讲解。

  • 1.类或接口的解析 假设当前代码所处的类为D，如果要把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，那虚拟机完成整个解析的过程需要包括以下3个步骤：

    • 1）如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就将宣告失败。

    • 2）如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类似“[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第一点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成一个代表该数组维度和元 的数组对象。

    • 3）如果上面两步没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了， 但在解析完成前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。如果发现不具备访问权限， 将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。 针对上面第3点访问权限验证，在JDK 9引入了模块化以后，一个public类型也不再意味着程序任 何位置都有它的访问权限，我们还必须检查模块间的访问权限。 如果我们说一个D拥有C的访问权限，那就意味着以下3条规则中至少有其中一条成立：

      • 被访问类C是public的，并且与访问类D处于同一个模块。
      • 被访问类C是public的，不与访问类D处于同一个模块，但是被访问类C的模块允许被访问类D的 模块进行访问。
      • 被访问类C不是public的，但是它与访问类D处于同一个包中。 在后续涉及可访问性时，都必须考虑模块间访问权限隔离的约束，即以上列举的3条规则，这些内 容在后面就不再复述了。

2.字段解析 要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内class_index [3]项中索引的 CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。如果在解析这个 类或接口符号引用的过程中出现了任何异常，都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功完 成，那把这个字段所属的类或接口用C表示，《Java虚拟机规范》要求按照如下步骤对C进行后续字段 的搜索：

  • 1）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，查找结束。
  • 2）否则，如果在C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口， 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，查找 结束。
  • 3）否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，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，查找结束。
  • 4）否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。 如果查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权 限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

以上解析规则能够确保Java虚拟机获得字段唯一的解析结果，但在实际情况中，Javac编译器往往 会采取比上述规范更加严格一些的约束，譬如有一个同名字段同时出现在某个类的接口和父类当中， 或者同时在自己或父类的多个接口中出现，按照解析规则仍是可以确定唯一的访问字段，但Javac编译 器就可能直接拒绝其编译为Class文件。在代码清单7-4中演示了这种情况，如果注释了Sub类中 的“public static int A=4；”，接口与父类同时存在字段A，那Oracle公司实现的Javac编译器将提示“The field Sub.A is ambiguous”，并且会拒绝编译这段代码。

代码清单7-4 字段解析

package org.fenixsoft.classloading; public class FieldResolution { interface Interface0 { int A = 0; } interface Interface1 extends Interface0 { int A = 1; } interface Interface2 { int A = 2; } static class Parent implements Interface1 { public static int A = 3; } static class Sub extends Parent implements Interface2 { public static int A = 4; } public static void main(String[] args) { System.out.println(Sub.A); } }

3.方法解析 方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也是需要先解析出方法表的class_index [4]项中索引的方 法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，那么我们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按 照如下步骤进行后续的方法搜索：

  • 1）由于Class文件格式中类的方法和接口的方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类的 方法表中发现class_index中索引的C是个接口的话，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError 异常。
  • 2）如果通过了第一步，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，查找结束。
  • 3）否则，在类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，查找结束。
  • 4）否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口之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，如果存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，这时候查找结束，抛出 java.lang.AbstractMethodError异常。
  • 5）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。 最后，如果查找过程成功返回了直接引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不具备对此 方法的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

4.接口方法解析 接口方法也是需要先解析出接口方法表的class_index [5]项中索引的方法所属的类或接口的符号引 用，如果解析成功，依然用C表示这个接口，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜 索：

  • 1）与类的方法解析相反，如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口，那 么就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。

  • 2）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，查找结束。

  • 3）否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类（接口方法的查找范围也会包括 Object类中的方法）为止，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，查找结束。

  • 4）对于规则3，由于Java的接口允许多重继承，如果C的不同父接口中存有多个简单名称和描述符 都与目标相匹配的方法，那将会从这多个方法中返回其中一个并结束查找，《Java虚拟机规范》中并 没有进一步规则约束应该返回哪一个接口方法。但与之前字段查找类似地，不同发行商实现的Javac编 译器有可能会按照更严格的约束拒绝编译这种代码来避免不确定性。

  • 5）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

在JDK 9之前，Java接口中的所有方法都默认是public的，也没有模块化的访问约束，所以不存在 访问权限的问题，接口方法的符号解析就不可能抛出java.lang.IllegalAccessError异常。但在JDK 9中增 加了接口的静态私有方法，也有了模块化的访问约束，所以从JDK 9起，接口方法的访问也完全有可 能因访问权限控制而出现java.lang.IllegalAccessError异常。

[1] invokedynamic指令是在JDK 7时加入到字节码中的，当时确实只为了做动态语言（如JRuby、 Scala）支持，Java语言本身并不会用到它。而到了JDK 8时代，Java有了Lambda表达式和接口的默认方 法，它们在底层调用时就会用到invokedynamic指令，这时再提动态语言支持其实已不完全切合，我们 就只把它当个代称吧。笔者将会在第8章中介绍这部分内容。
[2] 严格来说，CONSTANT_String_info这种类型的常量也有解析过程，但是很简单而且直观，不再做 独立介绍。 [3] 参见第6章中关于CONSTANT_Fieldref_info常量的相关内容。
[4] 参见第6章关于CONSTANT_Methodref_info常量的相关内容。
[5] 参见第6章中关于CONSTANT_InterfaceMethodref_info常量的相关内容。

初始化#

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，之前介绍的几个类加载的动作里，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。

进行准备阶段时，变量已经赋过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。我们也可以从另外一种更直接的形式来表达：初始化阶段就是执行类构造器<clinit>()方法的过程。<clinit>()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物，但我们非常有必要了解这个方法具体是如何产生的，以及<clinit>()方法执行过程中各种可能会影响程序运行行为的细节，这部分比起其他类加载过程更贴近于普通的程序开发人员的实际工作[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，如代码清单7-5所示。

代码清单7-5

//非法前向引用变量
public class Test { 
	static { 
		i = 0; // 给变量复制可以正常编译通过 
		System.out.print(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用” 
	} 
	static int i = 1; 
}
  • <clinit>()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器<clinit>()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行前，父类的<clinit>()方法已经执行 完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类型肯定是java.lang.Object。
  • 由于父类的<clinit>()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作，如代码清单7-6中，字段B的值将会是2而不是1。

代码清单7-6 ()方法执行顺序

static class Parent { 
	public static int A = 1; 
	static { A = 2; } 
} 
static class Sub extends Parent { 
	public static int B = A; 
} 
public static void main(String[] args) { 
	System.out.println(Sub.B); 
}
  • <clinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的，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。
  • 接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成 <clinit>()方法。但接口与类不同的是，执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()方法， 因为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。此外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>()方法。
  • Java虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁同步如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有其中一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等 待，直到活动线程执行完毕<clinit>()方法。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个进程阻塞[2]，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

代码清单7-7演示了这种场景。

代码清单7-7

//字段解析 
static class DeadLoopClass { 
	static { 
	// 如果不加上这个if语句，编译器将提示“Initializer does not complete normally” 并拒绝编译 
		if (true) { 
			System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass"); 
			while (true) { } 
		} 
	} 
} 

public static void main(String[] args) { 
	Runnable script = new Runnable() { 
		public void run() { 
			System.out.println(Thread.currentThread() + "start"); 
			DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass(); 
			System.out.println(Thread.currentThread() + " run over"); 
		} 
	}; 
	Thread thread1 = new Thread(script); 
	Thread thread2 = new Thread(script); 
	thread1.start(); 
	thread2.start(); 
} 

//运行结果如下，一条线程在死循环以模拟长时间操作，另外一条线程在阻塞等待： 
Thread[Thread-0,5,main]start 
Thread[Thread-1,5,main]start 
Thread[Thread-0,5,main]init DeadLoopClass

[1] 这里的讨论只限于Java语言编译产生的Class文件，不包括其他Java虚拟机语言。
[2] 需要注意，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行<clinit>()方法的那条线程退出<clinit>()方法 后，其他线程唤醒后则不会再次进入<clinit>()方法。同一个类加载器下，一个类型只会被初始化一次

作者：Esofar

出处：https://www.cnblogs.com/DCFV/p/18255047

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