类加载过程已经是老生常谈模式了，我曾在讲解tomcat的书中、在Java基础类书、JVM的书、在Spring框架类的书中、以及各种各样的博客和推文中见过，我虽然看了又忘了，但总体还是有些了解，曾经自以为这不是什么大不了的过程。但时间总会教你做人，看得越多，越觉得以前理解不足。
此笔记记录，虚拟机中Java类加载的过程，各个过程发生的时机，具体做了什么事情，例如，在方法区或者堆分配了哪些内存，创建了哪些常量等。由于Java文件会预先编译，得到class文件，虚拟机的类加载，是对class文件进行的操作，所以不可避免的涉及到class文件的解读，只有知道class文件中有什么，虚拟机才能加载对应的内容。
一、class文件介绍
不可能完全解读class文件，《虚拟机规范第二版》花了一百多页写class文件，这是class的核心，如果要完全理解，可能还得去复习复习编译原理，词法分析语法分析代码生成之类的。
1.1 文件结构
文件结构定义：u1 = 1个字节，u2 = 2个字节，u4 = 4个字节，u8 = 8个字节；
ClassFile {
u4 magic; // 魔法数
u2 minor_version; // 副版本号
u2 major_version; // 主版本号
u2 constant_pool_count; // 常量池计数，从1开始计数
cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; // 常量池[常量数量]
u2 access_flags; // 访问标志
u2 this_class; // 类索引
u2 super_class; // 父类索引
u2 interfaces_count; // 接口计数器
u2 interfaces[interfaces_count] // 接口表
u2 fields_count; // 字段计数器
field_info fields[fields_count]; // 字段表
u2 methods_count; // 方法计数器
method_info methods[methods_count]; // 方法表
u2 attributes_count; // 属性计数器
attribute_info attributes[attributes_count]; // 属性表
}
根据这个表，一个class文件的16进制文件就可以读取了。此处要注意几点
- 常量池的数量【常量池计数-1】，是因为常量池计数从1开始，而不是从0开始。其他的方法，属性之类的是从0开始
- 字段表和属性表的区别：
- 字段表：记录的是类级别以及实例级别（不包含父类字段，方法内字段）的字段信息，作用域（public、private）、修饰符（static）、final、字段名等等...
- 属性表：保存的是class的属性，让虚拟机能够正确解读class文件。例如：Exception属性指出方法抛出的受检查异常、Signature属性记录范型信息（让程序员可以通过反射读到正确类型）、Deprecated属性标记类、接口、方法或字段已经过期。Java虚拟机（Java虚拟机规范 Java SE 8 版）自带23个属性（Java虚拟机规范 Java SE 7 版只描述了21个属性），并且支持自定义属性。
1.2 简单示例读取class文件
代码
/**
* @Author: dhcao
* @Version: 1.0
*/
public class ClassTest {
public static final String abc = "ccc";
private static String def = "fff";
public String getAbcdef(){
return abc + def;
}
}
编译为ClassTest.class
直接使用subline或者其他软件打开此二进制文件
解读：根据class文件结构解读
- ca fa ba be : u4 ,魔法数。看到此魔法数开头的文件就意味着这是个java编译后的class文件
- 00 00 00 34：u2 + u2，副版本号 + 主版本号。根据以下对照表，是jdk1.8
| JDK版本号 | Class版本号 10进制 | 16进制 |
|---|---|---|
| 1.1 | 45.0 | 00 00 00 2D |
| 1.2 | 46.0 | 00 00 00 2E |
| 1.3 | 47.0 | 00 00 00 2F |
| 1.4 | 48.0 | 00 00 00 30 |
| 1.5 | 49.0 | 00 00 00 31 |
| 1.6 | 50.0 | 00 00 00 32 |
| 1.7 | 51.0 | 00 00 00 33 |
| 1.8 | 52.0 | 00 00 00 34 |
-
00 27：u2， 常量池计数器。十六进制27 = 十进制39，从1开始计数，代表有38项常量。
-
后续常量的解析过于复杂，不提了....
- 常量共有14种，每种常量都有自己的结构。下面看看第一个常量0a 00 0a 00 1b
- 0a ：代表此常量为类型CONSTANT_Methodref_info（此结构意味着后续u4都属于它），它代表方法的符号引用，也就是方法名。
- 00 0a：（0a = 10）指向常量池中声明方法的类描述符CONSTANT_Class_info的索引。
- 00 1b：（1b = 27）指向常量池中名称以及类型描述符CONSTANT_NameAndType的索引。
- 以上，第一个常量表示的是方法名，它的具体内容在常量表中，它由类名和方法名和类型组合而成。
-
貌似还可以解析第二个常量 07 00 1c
- 07：代表此常量为类型CONSTANT_Class_info（此结构意味着后续还有u2），它代表类或者接口的符号引用，也就是类名或者接口名（不仅仅指本类或本接口，其他的也一样）。
- 00 1c：指向常量池中第28（1c = 28）项常量。
反编译该class文件： javap -verbose ClassTest
第一部分：常量池部分
Constant pool:
#1 = Methodref #10.#27 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Class #28 // java/lang/StringBuilder
#3 = Methodref #2.#27 // java/lang/StringBuilder."<init>":()V
#4 = Class #29 // org/relax/jvm/demo/ls/ClassTest
#5 = String #30 // ccc
#6 = Methodref #2.#31 // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
#7 = Fieldref #4.#32 // org/relax/jvm/demo/ls/ClassTest.def:Ljava/lang/String;
#8 = Methodref #2.#33 // java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
#9 = String #34 // fff
#10 = Class #35 // java/lang/Object
#11 = Utf8 abc
#12 = Utf8 Ljava/lang/String;
#13 = Utf8 ConstantValue
#14 = Utf8 def
#15 = Utf8 <init>
#16 = Utf8 ()V
#17 = Utf8 Code
#18 = Utf8 LineNumberTable
#19 = Utf8 LocalVariableTable
#20 = Utf8 this
#21 = Utf8 Lorg/relax/jvm/demo/ls/ClassTest;
#22 = Utf8 getAbcdef
#23 = Utf8 ()Ljava/lang/String;
#24 = Utf8 <clinit>
#25 = Utf8 SourceFile
#26 = Utf8 ClassTest.java
#27 = NameAndType #15:#16 // "<init>":()V
#28 = Utf8 java/lang/StringBuilder
#29 = Utf8 org/relax/jvm/demo/ls/ClassTest
#30 = Utf8 ccc
#31 = NameAndType #36:#37 // append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
#32 = NameAndType #14:#12 // def:Ljava/lang/String;
#33 = NameAndType #38:#23 // toString:()Ljava/lang/String;
#34 = Utf8 fff
#35 = Utf8 java/lang/Object
#36 = Utf8 append
#37 = Utf8 (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
#38 = Utf8 toString
- 可以看到一共38项常量，从二进制class文件读取的也一样
- 第一项常量是方法名，分别指向第10和第27项常量，组合起来的值。
- 第二项常量是类或者接口名，他指向第28项常量。那是一个StringBuilder类名。
二、类加载步骤
类文件（class文件）是Java编译器编译之后的结果，它遵循的是编译原理。类加载，是指JVM将class文件加载到虚拟机的过程。只有将class文件加载到虚拟机，才能够使用该class。
2.1 类加载过程
将一个class文件（不管是文件还是二进制...只要是class格式）加载到虚拟机，最后移出虚拟机，通常认为有以上步骤，即类的生命周期。对于大多数时候，我们并不关注卸载过程，将“Using、使用”之前对类等处理，统称为“类加载”。所以也有描述类加载为3个主要过程（这也是虚拟机规范定义的过程）：加载 --- 连接 --- 初始化
-
说明一：区分“加载(Loading)”和“类加载”。很明显，当我们定义类加载为“加载、连接、初始化”就知道，“加载（Loading）”只是整个“类加载”过程的一部分。
-
说明二：Resolution、解析。解析过程是连接的一部分，但是并不一定发生在“初始化”之前。虚拟机规范并没有要求“解析”一定发生在“初始化之前”，虚拟机可根据不同情况，进行不同处理。
-
说明三：加载、验证、准备、初始化、卸载。这五个阶段是有序的，但是....其界限并非是先加载，加载完毕之后开始验证，验证完毕之后开始准备之类的。此有序，只是“开始时间有序”，即：加载开始时间一定在验证开始之前。但加载和验证可以有交集。
我理解，加载的整个过程，应该是覆盖了“连接”。
2.1.1 Loading、加载
-
过程定义：获取类的二进制字节流，并在方法区建立其数据结构，生成java.lang.Class对象。（这个过程可能覆盖了“连接”）
-
关于类的二进制字节流来源
- 可以是编译之后的.class文件
- 可以是zip、jar、war格式包
- 可以是运行时由动态代理生成的二进制流
- 可以是其他能够被解析到二进制流，jsp等模板
- 可以是远程调用获取到的二进制流
-
类加载器
- 是类加载的工具。负责将二进制读进虚拟机并按class规范处理，是加载类的类。
- 同一份class二进制文件，只有被同一个类加载，才能确定唯一性。不同的类加载器加载同一份class文件，这是2个类。在使用instanseof 和equals比较，都会得到false。
- 其他不是重点...
-
过程一：非数组类
- JVM使用类加载器读取一个二进制流：loadClass()方法。
-
过程二：数组类String[] aa = xxx
-
我们知道数组是一串连续的内存地址。从这个定义上来看，我们就知道，这不是类加载器可以控制的。数组类的创建是由JVM直接创建的。
-
数组的每个元素（对象）依然要靠类加载器创建。也就是说，数组本身由JVM创建并分配内存，但是其元素依然依靠类加载器加载。
-
-
在加载时，可能抛出以下异常：
-
ClassNotFoundException：类加载器未找到类所对应的描述
-
LinkageError：是否已被该类加载器加载过
-
ClassFormatError：格式检查失败。此过程也可算是“验证”一部分。检查以下几项
- 前4个字节（u4）必须是魔法数cafababe。
- 能够辨识的属性，都具备正确的长度。
- 文件内容不能缺失，不能有多余字节。
- 常量池必须符合约束（各个常量表的格式）。
-
unsupportedClassVersionError：检测到class版本号不被JVM支持
-
noClassDefError：class文件与类名描述不符
-
IncompatibleClassChangeError：接口被类继承时抛出
-
ClassCircularityError：类的父类是自己时
由上可见，加载本身也含有一定程度上的校验，不可能啥都加载。所以加载发生在验证开始之前， 但并非一定是结束在验证开始之前。
-
2.1.2 Verifition、验证
在读入了二进制流之后，验证就开始了，验证的目的是保证Class文件的字节流包含的信息符合JVM的要求，并且不会危害JVM的安全。
那么需要验证哪些呢，在《虚拟机规范 Java SE 8》中，章节目录4.10详细讲解了JVM加载class文件需要进行的校验，根本目的还是保证class文件的正确性和安全性。
-
文件格式验证（参照前文：格式检查）。
-
元数据验证
- 是否有父类、是否继承了final、是否实现了接口的所有方法等等。
-
字节码验证
- 这个实在是多，包括指令是否正确，指令是否越界，映射是否正确等等。
-
符号引用验证
- 对类型进行匹配性校验，是否private的方法只能被当前类访问、通过全限定名是否找到对应的类等等。
-
静态约束：一系列用来定义文件是否编排良好的约束
2.1.3 Preparation、准备
该阶段是非常重要的，在经过前面的阶段之后，一个Class文件已经加载到了JVM并验证了其正确性，那么接下来就需要对Class文件进行处理。
虚拟机规范规定：准备阶段的任务是创建类或者接口的静态字段，并用默认值初始化这些字段。这个阶段不会执行任何的虚拟机字节码指令。
过程
- 为类变量（static）分配内存。java8以后，运行时常量池分配在堆中。
- 设置初始值
从开始接触Java我们就一直被一些看似简单实际有些意思的题目烦扰，例如：静态变量，静态块的执行顺序、父类子类的执行顺序、变量赋值时间、方法传递的是引用还是值等等乱七八糟的问题。
关于初始值：public static int value = 123; 在准备阶段，这段代码只会得到：value = 0，这是因为int型变量的初始值为0（引用类型初始值为null）。
但是：public static final int value = 123; 在准备阶段，这段代码会得到：value = 123，这是因为final定义常量，其值在编译时确定。
- 准备阶段是给static赋初始值，为final修饰的常量赋值。
尝试分析，如何标记常量，以及为它赋值。依然是最上述的代码段
反编译该class文件： javap -verbose ClassTest
第二部分：编译码 { public static final java.lang.String abc; descriptor: Ljava/lang/String; flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL ConstantValue: String ccc public org.relax.jvm.demo.ls.ClassTest(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=1, locals=1, args_size=1 0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 4: return LineNumberTable: line 7: 0 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 5 0 this Lorg/relax/jvm/demo/ls/ClassTest; .... ..... ...... }以上，为javap的反编译结果第二部分。我们看源代码中：
public static final String abc = "ccc"; 编译之后： public static final java.lang.String abc; descriptor: Ljava/lang/String; flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL ConstantValue: String ccc重点在于ConstantValue: String ccc。
属性ConstantValue：如果同时使用了static 和 final，javac编译器在编译时就在字段上著明该属性，并在类加载的准备阶段，将该属性的值，自动赋值给静态变量。
在最开始定义class格式的时候写到，文件最后定义的是属性表，ConstantValue就是属性表中的属性。
- 作用范围：使用在字段上。
- 如果flags中含有ACC_STATIC和ACC_FINAL，那么ConstantValue的值将直接赋值给该字段。也就是ccc直接赋值给abc。
- 强调：虚拟机规范只要求有ACC_STATIC就可以使用ConstantValue，是sun公司的javac编译器要求同时使用ACC_STATIC和ACC_FINAL
- 只能限于基本类型和String使用
2.1.4 Resolution、解析
解析这个过程，并没有严格的规定在什么时候发生。解析的作用是将符号引用替换为直接引用的过程，只需要在使用符号之前替换这个符号就行。
-
符号引用
- 类和接口的全限定名（Fully Qualified Name）
- 字段的名称和描述符（Descriptor）
- 方法的名称和描述符
-
直接引用
- 直接指向目标的引用
- 相对偏移量
- 能间接定位到目标的句柄
以上描述还有些难以理解。说实话，我也不知道怎么解释了，举个例子描述（类方法解析）：
public String getAbcdef(){
int a = 3;
int c = a + 4;
return abc + def + c;
}
执行 javap -verbose ClassTest
--------------------------------------------------------------------------------
public java.lang.String getAbcdef();
descriptor: ()Ljava/lang/String;
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: iconst_3
1: istore_1
2: iload_1
3: iconst_4
4: iadd
5: istore_2
6: new #2 // class java/lang/StringBuilder
9: dup
10: invokespecial #3 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
13: ldc #5 // String ccc
15: invokevirtual #6 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
18: getstatic #7 // Field def:Ljava/lang/String;
21: invokevirtual #6 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
24: iload_2
25: invokevirtual #8 // Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
28: invokevirtual #9 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
31: areturn
LineNumberTable:
line 15: 0
line 16: 2
line 17: 6
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 32 0 this Lorg/relax/jvm/demo/ls/ClassTest;
2 30 1 a I
6 26 2 c I
--------------------------------------------------------------------------------
在反编译中，一直出现的jvm指令：invokevirtual
- 这是一条方法调用指令，调用对象的实例方法，也是常用的虚方法分派。
解析的目的：
在上文 中，该指令调用的是StringBuilder的append方法（直接字符串相加），虚拟机要求，在执行该条指令（invokevirtual）之前，需要对他们所使用的符号进行解析，也就是对StringBuilder.append进行解析。解析的结果是，该指令能够正确的找到该方法的入口！
解析过程：（类方法解析）
- 找到该类的符号引用（StringBuilder）：具体过程是，该指令后对应的常量池位置 #6 ，我们找到常量池#6，得到
#6 = Methodref #2.#31 // java/lang/StringBuilder.append:
它是一个Methodref（方法常量），这是由#2（java/lang/StringBuilder）和#31（append）组成的。
而#2：
#2 = Class #28 // java/lang/StringBuilder
它是一个Class（类）。
- 再找，该类（StringBuilder）中是否有该方法。要求返回值为String，参数为String。
- 最后返回该方法的引用！
解析的目的是将符号引用转为能用的直接引用。主要包含以下：
- 类或接口的解析
- 字段解析
- 类方法解析（上文例子）
- 接口方法解析
2.1.5 Initializaition、初始化
Loading、加载阶段读入了Class文件
Verifition、验证阶段校验了其正确性
Preparation、准备阶段为其开辟了内存空间，并为static属性赋初始值
Resolution、解析阶段将符号引用都转为了直接引用，使得Class中的定义都有了实际意义，不再是一串字面量
Initializaition、初始化阶段，是类加载的最后一步
也是执行字节码的过程，也是执行<clinit>()方法的过程
-
<clinit>()方法 和 <init>()方法
- <clinit>()方法是由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作（不管是不是静态）和静态语言块（static{}）中的语句合并产生的，是类构造器。
- <init>()方法是实例化时执行的构造函数或者说实例构造器。
-
<clinit>() 顺序：
编译器收集类变量的赋值和静态块的语句，是按照Class文件中的语句顺序来的，所有如下中，static 变量i 在定义赋值之前就想要输出，是不行的。
public class ClassTest { static { i = 0; // 可以通过 System.out.println(i); // 编译报错 } static int i = 1; } -
重要：虚拟机会保证父类的<clinit>()方法在子类之前已经执行完毕。所以第一个执行<clinit>()方法的肯定是java.lang.Object。
这也意味着父类的静态块语句在子类静态块之前执行
-
<clinit>()方法不是必要的，如果没有任何静态块，也没有类变量的赋值动作，那么可以不生成<clinit>()方法。
-
接口虽然无法定义static块，但是也可以赋值，所以接口也可以有<clinit>()方法。
-
虚拟机保证在多线程环境下，同一个类加载器中<clinit>()方法只被执行一次。
三、总结
类的加载过程，主要流程如上，但是更多的细节，没有描述，例如更多的Class文件细节，更多的类加载的内容，更具体的栈与堆的数据结构和分配过程。在后面的笔记中将对这些进行补充。
熟悉的面试题，现在看来也显然易见！
class Parent {
static {
System.out.println("父类静态块");
}
Parent(){
System.out.println("父类构造函数");
}
}
class Sub extends Parent{
static {
System.out.println("子类静态块");
}
Sub(){
System.out.println("子类构造函数");
}
}
// 如何输出...
class Test{
public static void main(String[] args) {
new Sub();
}
}