好程序员Java分享JVM类加载机制

JVM相关概念

• jdk<br>jdk（Java Development Kit）Java开发包，是Java开发人员用于编译和调试程序的一套程序的集合。

• jre<br>jre（Java Runtime Evironment）Java运行时环境，是运行Java程序的平台，所有的Java程序必须在这个平台中才能执行。

• jvm<br>jvm（Java Virtual Machine）Java虚拟机，是用代码虚拟出来的计算机，模拟执行计算机的各项功能，它有自己的硬件架构，如：处理器、堆栈、寄存器等，还有自己的一套指令系统，在不同的操作系统上都可以安装JVM，从而实现Java程序在不同的操作系统上都能执行，JVM就是为实现Java的跨平台特性。

JVM加载类的过程

我们执行Java程序开发出来后，需要先编译再执行，JVM就负责加载类的过程。<br>类加载的过程分为：

1. 加载

2. 验证

3. 准备

4. 解析

5. 初始化

类加载的具体过程

下面详细介绍下这几个过程：

1. 加载<br>在加载类的过程要完成：

   1. 根据类的全名限定符，获取class二进制流，这个流可以从磁盘上的class、jar文件获得，也可以从网络中获得。

   2. 将类的静态存储结构转化为方法区的运行时动态存储结构

   3. 在内存的堆中生成对应的java.lang.Class对象，作为方法区的入口

2. 验证<br>加载类完成后，就进入了验证过程，这个过程保证了前面生成的Class对象中的信息，不会危害JVM的安全。<br>需要验证的方面有：

   1. 文件格式验证，是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。如验证魔数是否0xCAFEBABE；主、次版本号是否正在当前虚拟机处理范围之内；常量池的常量中是否有不被支持的常量类型等等，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中，经过这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中存储，所以后面的三个验证阶段都是基于方法区的存储结构进行的。

   2. 元数据验证，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。可能包括的验证如：这个类是否有父类；这个类的父类是否继承了不允许被继承的类；如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口中要求实现的所有方法。

   3. 字节码验证，主要工作是进行数据流和控制流分析，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。如果一个类方法体的字节码没有通过字节码验证，那肯定是有问题的；但如果一个方法体通过了字节码验证，也不能说明其一定就是安全的。

   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，这个转化动作将在“解析阶段”中发生。验证符号引用中通过字符串描述的权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字段的描述符及简单名称所描述的方法和字段；符号引用中的类、字段和方法的访问性(private、protected、public、default)是否可被当前类访问。

3. 准备<br>准备阶段会在方法区中为类的静态变量分配内存，并赋给默认值。

   public static int count = 100;

   如：上面的count变量在准备阶段会赋值为0，在初始化时再赋值为100;

4. 解析<br>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。

   • 符号引用（Symbolic Reference）<br>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 Reference）<br>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。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的，如果有了直接引用，那么引用的目标必定已经在内存中存在。

5. 初始化<br>类初始化是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程，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。<br>初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。<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。

   那么何时执行初始化呢？

   1. 创建类的实例

   2. 访问类的静态变量(除常量外，final修饰的)原因:常量一种特殊的变量，因为编译器把他们当作值而不是属性来对待。

   3. 访问类的静态方法

   4. 反射如(Class.forName("com.test.Person"))

   5. 当初始化一个类时，发现其父类还未初始化，则先调用父类的初始化

   6. 虚拟机启动时，定义了main()方法的那个类先初始化

代码案例

了解了类的加载机制，我们来看一道面试题：

public class MySingleton {

 private static MySingleton singleton = new MySingleton();
 public static int count1 = 0;
 public static int count2;
 
 private MySingleton(){
  count1++;
  count2++;
 }
 
 public static MySingleton getInstance(){
  return singleton;
 }
 
 public static void main(String[] args) {
  MySingleton singleton = MySingleton.getInstance();
  System.out.println("count1-->"+MySingleton.count1);
  System.out.println("count2-->"+MySingleton.count2);
 }

}

上面的结果，大多数同学可能认为两个静态变量都是1，结果比较意外：

count1-->0
count2-->1

这是为什么呢？下面我们来分析下：

1. 首先我们知道在类的准备阶段会为静态变量赋默认值：<br>singleton = null;count1 = 0;count2 = 0;

2. 当调用类的静态方法getInstance后，引发类的初始化，先执行new MySingleton() 调用构造方法，这时：<br>count1 = 1;count2 = 1;

3. 继续初始化，为变量赋值，count1赋值为0，count2没有赋值就保留值1，结果就是:<br>count1 = 0;count2 = 1;

总结

JVM是代码模拟的计算机，有自己的硬件和软件，JVM能实现Java类的加载和运行，具体加载过程有：加载、验证、准备、解析、初始化5个步骤组成。