理解类加载机制

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。

整体流程

加载->验证->准备->解析->初始化

初始化时机

遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic四条指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化，具体场景是：

new：对应常规的new关键字创建对象；
getstatic：读一个类的静态非final字段值；
putstatic：修改一个类的静态字段值；
invokestatic：调用类的静态方法；

代码示例

public class Main {

    public void test() {
        //new
        Simple simple = new Simple();
        //getstatic
        int i = Simple.sIndex;
        //putstatic
        Simple.sIndex = 1;
        //invokestatic
        int j = Simple.getIndex();
    }

    static class Simple {
        static int sIndex = 0;

        static int getIndex() {
            return sIndex;
        }
    }
}

对应的字节码：

public void test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: new           #2                  // class com/github/mwping/lordhelperapp/jvm/Main$Simple
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method com/github/mwping/lordhelperapp/jvm/Main$Simple."<init>":()V
         7: astore_1
         8: getstatic     #4                  // Field com/github/mwping/lordhelperapp/jvm/Main$Simple.sIndex:I
        11: istore_2
        12: iconst_1
        13: putstatic     #4                  // Field com/github/mwping/lordhelperapp/jvm/Main$Simple.sIndex:I
        16: invokestatic  #5                  // Method com/github/mwping/lordhelperapp/jvm/Main$Simple.getIndex:()I
        19: istore_3
        20: return

对类进行反射调用时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
当初始化一个类的时候，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。
虚拟机启动时，先初始化主类(包含public static void main(String [] args)方法的那个类)。

加载

通过类的全限定名来获取定义此类的二进制流；
将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；
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。

验证

字节流验证——文件格式

魔数为0xCAFEBABE；
主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围；

元数据验证——语法规范

是否有父类；
是否继承了final类；
如果不是抽象类，是否实现了父类或者接口要求实现的方法；
是否覆盖了父类的final字段、方法；

字节码验证

类型转换是否有效；
指令不会跳转到方法体之外；

符号引用验证

是否能根据全限定名找到对应的类；
是否访问了不存在的字段、方法；
是否访问了无权访问的其他类的字段、方法(如private)；

准备

为所有类变量(即static变量)分配内存并设置初始值，例如int初始值为0，引用类型初始值为null，bool初始值为false。对于static final常量，初始值赋值为指定的值，具体看下面的代码：

    public static int value = 123;

上面的代码准备阶段完成之后，value值是0而非123；

    public static final int value = 123;

上面的代码准备阶段完成之后，value值是123。

解析

解析是将常量池的符号引用替换为直接引用的过程。

符号引用

什么是符号引用？看下面的代码：

public class Main {
    public void test() {
        Simple.id = 123;
    }

    static class Simple {
        static int id;
    }
}

其对应的字节码指令：

  public void test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: bipush        123
         2: putstatic     #2                  // Field com/github/mwping/lordhelperapp/jvm/Main$Simple.id:I
         5: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 6: 5

其中putstatic指令的参数#2，也就是Field com/github/mwping/lordhelperapp/jvm/Main$Simple.id:I这个按一定规则组织起来的字符串，就是一个符号引用。

直接引用

以Simple的id字段为例，直接引用就是虚拟机为id分配的内存地址。

解析主要针对：

类或接口；
字段；
类方法；
接口方法。

初始化

初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程，<clinit>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{})中的语句合并产生的。如下Java代码：

public class Main {
    static int id = 123;
    static double value;

    static {
        value = 99.0;
    }

}

合并之后的静态语句块为：

  static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=0, args_size=0
         0: bipush        123
         2: putstatic     #2                  // Field id:I
         5: ldc2_w        #3                  // double 99.0d
         8: putstatic     #5                  // Field value:D
        11: return

计算机技术实战

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。