虚拟机类加载与字节码执行

类加载：

类从被加载到虚拟机内存，到卸载出内存，整个生命周期分为了七个阶段，如下图所示。

类的生命周期.jpg

类的生命周期

其中的验证，准备，解析也被称为连接。加载、验证、准备、初始化、卸载这五个阶段的顺序是确定的。类的加载过程按这种顺序进行，而解析阶段有可能在初始化之后进行，这主要是为了满足java语言运行时的动态绑定。

类加载的全过程：

加载：

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。

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，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象（并没有明确规定是在Java堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里面），这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。

验证：

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。验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

（一）文件格式验证：

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：

1 是否以魔数0xCAFEBABE开头。

2 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。

3 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）。

4 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。

5 CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。

6 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。

（二）元数据验证：

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：

1 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）。

2 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）。

3 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。

4 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）。

(三) 字节码验证：

验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是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。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，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事件，例如：

1 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，例如不会出现类似这样的情况：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。

2 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。

3 保证方法体中的类型转换是有效的，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。

（四）符号引用验证：

虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，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做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验，通常需要校验下列内容：

1 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。

2 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段。

3 符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可被当前类访问。

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的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），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，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。

解析：

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，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已经加载到内存中。

直接引用（Direct References）：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或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内存中存在。

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。

初始化：

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码）。

类加载器与双亲委派模型：

对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。这句话可以表达得更通俗一些：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

双亲委派模型的工作过程是：先看自己是否已经加载过（第一次一般是没有的，后续自己加载了的话，那就是自己了），如果已经加载过则返回；没有时就看有没有分父类加载器，有得话先用父类加载器，向上追溯直到没有父类加载器时，看有没有被引导类加载器加载，有得话则返回。没有就自己加载，如果自己加载还没有成功，就找下级的加载器加载。

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：前面已经介绍过，这个类将器负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。

扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。

应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher$App-ClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

类加载器双亲委派模型.jpg

类加载器双亲委派模型

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
     return loadClass(name, false);
 }
 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)         throws ClassNotFoundException
 {        
     synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
     // 首先，检查是否已经被当前的类加载器记载过了，如果已经被加载，直接返回对应的Class<T>实例
     Class<?> c = findLoadedClass(name);
     //初次加载
     if (c == null) {
         long t0 = System.nanoTime();
         try {
             if (parent != null) {
                 //如果有父类加载器，则先让父类加载器加载
                 c = parent.loadClass(name, false);
             } else {
                 // 没有父加载器，则查看是否已经被引导类加载器加载，有则直接返回
                 c = findBootstrapClassOrNull(name);
             }
         } catch (ClassNotFoundException e) {
             // ClassNotFoundException thrown if class not found                     // from the non-null parent class loader
         }                 // 父加载器加载失败，并且没有被引导类加载器加载，则尝试该类加载器自己尝试加载
         //
         if (c == null) {
             // If still not found, then invoke findClass in order                     // to find the class.
             long t1 = System.nanoTime();                     // 自己尝试加载
             c = findClass(name);                      // this is the defining class loader; record the stats
             sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
             sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
             sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
         }
      }             //是否解析类
      if (resolve) {
          resolveClass(c);
      }
      return c;
     }
   }
 }

字节码执行：

运行时栈帧（Stack Frame）是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构，它是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈（Virtual Machine Stack）的栈元素。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用开始至执行完成的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程。

栈帧的概念结构

局部变量表（Local Variable Table）：

局部变量表是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。局部变量表的容量以变量槽（Variable Slot，下称Slot）为最小单位，每个Slot都应该能存放一个boolean、byte、char、short、int、float、reference或returnAddress类型的数据。虚拟机要求reference需要做到两点，一是从此引用中直接或间接地查找到对象在Java堆中的数据存放的起始地址索引，二是此引用中直接或间接地查找到对象所属数据类型在方法区中的存储的类型信息。

局部变量不像类变量那样存在“准备阶段”。类变量有两次赋初始值的过程，一次在准备阶段，赋予系统初始值；另外一次在初始化阶段，赋予程序员定义的初始值。因此，即使在初始化阶段程序员没有为类变量赋值也没有关系，类变量仍然具有一个确定的初始值。但局部变量就不一样，如果一个局部变量定义了但没有赋初始值是不能使用的，不要认为Java中任何情况下都存在诸如整型变量默认为0，布尔型变量默认为false等这样的默认值。

操作数栈（操作栈）：

当一个方法刚刚开始执行的时候，这个方法的操作数栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容，也就是出栈/入栈操作。

动态链接：

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接（Dynamic Linking）。

Class文件的常量池中存有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用作为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或者第一次使用的时候就转化为直接引用，这种转化称为静态解析。另外一部分将在每一次运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。

方法调用：

方法调用并不等同于方法执行，方法调用阶段唯一的任务就是确定被调用方法的版本（即调用哪一个方法），暂时还不涉及方法内部的具体运行过程。在程序运行时，进行方法调用是最普遍、最频繁的操作，但Class文件的编译过程中不包含传统编译中的连接步骤，一切方法调用在Class文件里面存储的都只是符号引用，而不是方法在实际运行时内存布局中的入口地址。这个特性给Java带来了更强大的动态扩展能力，但也使得Java方法调用过程变得相对复杂起来，需要在类加载期间，甚至到运行期间才能确定目标方法的直接引用。

解析：

在Java语言中符合“编译期可知，运行期不可变”这个要求的方法，主要包括静态方法和私有方法两大类，前者与类型直接关联，后者在外部不可被访问，这两种方法各自的特点决定了它们都不可能通过继承或别的方式重写其他版本，因此它们都适合在类加载阶段进行解析。

只要能被invokestatic和invokespecial指令调用的方法，都可以在解析阶段中确定唯一的调用版本，符合这个条件的有静态方法、私有方法、实例构造器、父类方法4类，它们在类加载的时候就会把符号引用解析为该方法的直接引用。这些方法可以称为非虚方法。

解释与执行

基于物理机、Java虚拟机，或者非Java的其他高级语言虚拟机（HLLVM）的语言，大多都会遵循这种基于现代经典编译原理的思路，在执行前先对程序源码进行词法分析和语法分析处理，把源码转化为抽象语法树（Abstract SyntaxTree，AST）。对于一门具体语言的实现来说，词法分析、语法分析以至后面的优化器和目标代码生成器都可以选择独立于执行引擎，形成一个完整意义的编译器去实现，这类代表是C/C++语言。也可以选择把其中一部分步骤（如生成抽象语法树之前的步骤）实现为一个半独立的编译器，这类代表是Java语言。又或者把这些步骤和执行引擎全部集中封装在一个封闭的黑匣子之中，如大多数的JavaScript执行器。

编译过程.jpg