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引言

Java语言选择了与操作系统和机器指令集无关的、平台中立的格式作为程序编译后的储存格式。Java虚拟机提供的语言无关性是指虚拟机不关心Class的来源是何种语言，只要能生成Class文件就够了。可以使用Binary Viewer等软件读取二进制文件。

Java语言中的各种变量、关键字和运算符号的语义最终都是由多条字节码命令组合而成的，因此字节码命令所能提供的语义描述能力肯定会比Java语言本身更加强大。因此，有一些Java语言本身无法有效支持的语言特性不代表字节码本身无法有效支持，这也为其他语言实现一些有别于Java的语言特性提供了基础。

Class文件结构

 Java class文件是8位字节的二进制流，数据项按顺序存储在class文件中，相邻的项之间没有任何间隔，这样可以使class文件紧凑。占据多个字节空间的项按照高位在前的顺序分为几个连续的字节存放。在class文件中，可变长度项的大小和长度位于其实际数据之前。这个特性使得class文件流可以从头到尾被顺序解析，首先读出项的大小，然后读出项的数据。Class文件中有两种数据结构：无符号数和表。无论是无符号数还是表，当需要描述同一类型但数量不定的多个数据时，经常会使用一个前置的容量计数器加若干个连续的数据项的形式，这时称这一系列连续的某一类型的数据为某一类型的集合。

 

 无符号数属于基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8来表示1个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码构成的字符串值。

表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的符合数据类型，所有表都习惯性地以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据，整个Class文件本质上就是一张表，它由下表所示的数据项构成。

 一、魔数

每个Java class文件的前4个字节被称为它的魔数（magic number）：0xCAFEBABE。魔数的作用在于可以轻松地分辨出Java class文件和非Java class文件。紧跟着魔数的四个字节存储的是Class文件的版本号：第5和第6个字节是次版本号（Minor Version）,第7和第8个字节是主版本号（Major Version）。JDK的版本越高，它生成的Class文件的版本号就越高，高版本的JDK能向下兼容以前版本的Class文件，但不能运行以后版本的Class文件，即使文件格式未发生任何变化，JDK也必须拒绝执行。class文件的下面4个字节包含了主、次版本号。对于Java虚拟机来说，版本号确定了特定的class文件格式，通常只有给定主版本号和一系列次版本号后，Java虚拟机才能够读取class文件。如52对应JDK1.8。

二、常量池

constant_pool_count和constant_pool。

constant_pool_count：两个字节表示常量池的长度，编号从1开始；

CP_info：每个常量池入口都从一个长度为一个字节的标志开始（tag），这个标志指出了列表中该位置的常量类型。JDK 1.7以后共有14种不相同表结构的数据。

紧接着版本号之后的是常量池入口，常量池可以理解为Class文件之中的资源仓库，它是Class文件结构中与其他项目关联最多的数据项，也是占用Class文件空间最大的数据项目之一。由于常量池中的常量数量不固定，所以在常量池的入口需要放置一项u2类型的数据，代表容量池容量计数值（constant_pool_count），这个容量计数从1而不是0开始。

        常量池中主要存放两大类常量：字面量（Literal）和符号引用（Symbolic Reference）。字面量比较接近Java语言层面的常量概念，如文本字符串、声明为final的常量值等。而符号引用则属于编译原理方面的概念，包括下面三类常量：

• 类和接口的全限定名
• 字段的名称和描述符
• 方法的名称和描述符

        Java代码在进行Javac编译时，并不像C和C++那样有“连接”的步骤，而是在虚拟机加载Class文件的时候进行动态连接。也就是说，在Class文件中不会保存各个方法、字段的最终内存布局信息，当虚拟机运行时，需要从常量池获得对应的符号引用，再在类创建时或运行时解析、翻译到具体的内存地址之中。

三、访问标志access_flags

紧接常量池后的两个字节称为access_flags，它展示了文件中定义的类或接口的几段信息，包括这个Class是类还是接口；是否定义为public类型；是否为abstrct类型；在access_flags中所有未使用的位都必须由编译器置0，而且Java虚拟机必须忽略它。常见的访问标志位如下表：

标志名称	标志值	含义
ACC_PUBLIC	0x00 01	是否为Public类型
ACC_FINAL	0x00 10	是否被声明为final，只有类可以设置
ACC_SUPER	0x00 20	是否允许使用invokespecial字节码指令的新语义．
ACC_INTERFACE	0x02 00	标志这是一个接口
ACC_ABSTRACT	0x04 00	是否为abstract类型，对于接口或者抽象类来说，次标志值为真，其他类型为假
ACC_SYNTHETIC	0x10 00	标志这个类并非由用户代码产生
ACC_ANNOTATION	0x20 00	标志这是一个注解
ACC_ENUM	０x40 00	标志这是一个枚举

四、类索引

接下来的两个字节为this_class项，它是一个对常量池的索引。在this_class位置的常量池入口必须为CONSTANT_Class_info表。该表由两个部分组成——标签和name_index。标签部分是一个具有CONSTANT_Class值的常量，在name_index位置的常量池入口为一个包含了类或接口全限定名的CONSTANT_Utf8_info表。

类索引（this_class）和父类索引（super_class）都是一个u2类型的数据，而接口索引集合（interfaces）是一组u2类型的数据的集合，class文件中由这三项数据来确定这个类的继承关系。

　　类索引用于确定这个类的全限定名，父类索引用于确定这个类的父类的全限定名．接口索引集合用来描述这个类实现了哪些接口，这些被实现的接口按implements语句后的接口顺序从左到右排列在接口索引集合中。

　　类索引，父类索引和接口都按顺序排列在访问标志之后，类索引和父类索引用两个u2类型的索引值表示，它们各自指向一个类型为CONSTANT_Class_info的类描述常量，通过CONCTANT_Class_info类型的常量中的索引值可以找到定义在CONSTANT_Class_info类型的常量中的全限定名字符串。

　　对接口索引集合，入口的第一项u2类型的数据为接口计数器（interface_count）表示索引表的容量．如果该类没有实现任何接口，则该计数器值为０，后面接口的索引表不再占用任何字节。

五、字段表集合

紧接在interfaces后面的是对在该类或者接口中所声明的字段的描述。首先是名为fields_count的计数，它是类变量和实例变量的字段的数量总和。在这个计数后面的是不同长度的field_info表的序列（fields_count指出了序列中有多少个field_info表）。在fields列表中，不列出从超类或者父接口继承而来的字段。

六、方法表集合

紧接着fields后面的是对在该类或者接口中所声明的方法的描述。只包括在该类或者接口中显式定义的方法。

 

七、属性表集合

在Class文件、字段表、方法表中都可以携带自己的属性表集合。相对于其它表，属性表的限制相对较小，不再要求各个属性表有严格的顺序，可以写入自定义的属性信息，JVM也预定义了21项属性表。对于每个属性，它的名称需要从常量池中引入一个CONSTANT_Utf8_info类型的常量来表示，而属性值的结构则完全自定义，只需要一个u4的长度属性去说明属性值所占用的位数即可。

字节码指令

Java 虚拟机的指令由一个字节长度的、代表着某种特定操作含义的数字（称为操作码）以及跟随其后的零至多个代表此操作所需参数（操作数）而构成。由于 Java 虚拟机采用面向操作数栈而不是寄存器的架构，所以大多数的指令都不包含操作数，只有一个操作码。

在 Java 虚拟机的指令集中，大多数的指令都包含了其操作所对应的数据类型信息。例如，iload指令用于从局部变量表中加载 int 型的数据到操作数栈中，而 fload 指令加载的则是 float 类型的数据。这两条指令的操作在虚拟机内部可能会是由同一段代码来实现，但在 Class 文件中它们必须拥有各自独立的操作码。

对于大部分与数据类型相关的字节码指令，它们的操作码助记符中都有特殊的字符表明专门为哪种数据类型服务：i 代表对 int 类型的数据操作，l 代表 long，s 代表 short，b 代表 byte，c 代表 char，f 代表float，d 代表 double，a 代表 reference。也有一些指令的助记符中没有明确的指明操作类型的字母，如 arraylength 指令，它没有代表数据类型的特殊字符，但操作数永远只能是一个数字类型的对象。还有另外一些指令，如无条件跳转指令 goto 则是与数据类型无关的。

一、加载和存储指令

加载和存储指令用于将数据在栈帧中的局部变量表和操作数栈之间来回传输，这类指令包括如下内容：

• 将一个局部变量加载到操作栈：iload、iload、lload、lload、fload、fload、dload、dload、aload、aload_。
• 将一个数值从操作数栈存储到局部变量表中：istore、istore、lstore、lstore、fstore、fstore、dstore、dstore、astore、astore。
• 将一个常量加载到操作数栈：bipush、sipush、ldc、ldc_w、ldc2_w、aconst_null、iconst_m1、iconst、lconst、fconst、dconst。
• 扩充局部变量表的访问索引的指令：wide。

二、运算指令

运算或算术指令用于对两个操作数栈上的值进行某种特定运算，并把结构重新存入到操作栈顶。大体上算术指令可以分为两种：对整形数据进行运算的指令与对浮点型数据进行运算的指令，无论是哪种算术指令，都使用 Java 虚拟机的操作类型，由于没有直接支持 byte、short、char 和 boolean 类型算术指令，对于这些数据的运算，应使用操作 int 类型的指令代替。整数与浮点数的算术指令在溢出和被零除的时候也有各自不同的行为表现，所有的算术指令如下。

• 加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd。
• 减法指令：isub、lsub、fsub、dsub。
• 乘法指令：imul、lmul、fmul、dmul。
• 除法指令：idiv、ldiv、fdiv、ddiv。
• 求余指令：irem、lrem、frem、drem。
• 取反指令：ineg、lneg、fneg、dneg。
• 位移指令：ishl、ishr、iushr、lshl、lshr、lushr。
• 按位或指令：ior、lor。
• 按位与指令：iand、land。
• 按位异或指令：ixor、lxor。
• 局部变量自增指令：iinc。
• 比较指令：dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp。
   

三、类型转换指令

Java 虚拟机直接支持以下数值类型的宽化类型转换（自动转换）：

• int 类型到 long、float 或者 double 类型。
• long 类型到 float、double 类型。
• float 类型到 double 类型。

相对的，处理窄化转换时，必须显式的使用转换指令来完成（即强转）。这些转换指令包括：i2b、i2c、i2s、l2i、f2i、f2l、d2i、d2l 和 d2。

四、对象创建与访问指令

虽然类实例和数组都是对象，但 Java 虚拟机对类实例和数组的创建与操作使用了不同的字节码指令。

• 创建类实例的指令：new。
• 创建数组的指令：newarray、anewarray、multianewarray。
• 访问类字段和实例字段的指令：getfield、putfield、getstatic、putstatic。
• 把一个数组元素加载到操作数栈的指令：baload、caload、saload、iaload、laload、faload、daload、aaload。
• 将一个操作数栈的值存储到数组元素中的指令：bastore、castore、sastore、iastore、fastore、dastore、aastore。
• 取数组长度的指令：arraylength。
• 检查类实例类型的指令：instanceof、checkcast。
   

五、操作数栈管理指令

如同操作一个普通数据结构中的堆栈那样，Java 虚拟机提供了一些用于直接操作数栈的指令，包括：

• 将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈：pop、pop2。
• 复制栈顶一个或两个数值并将复制值或双份的复制值重新压入栈顶：dup、dup2、dup_x1、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2。
• 将栈最顶端的两个数值互换：swap。
   

六、控制转义指令

控制转义指令可以让 Java 虚拟机有条件或无条件的从指定的位置指令而不是控制转义指令的下一条指令继续执行程序。

• 条件分支：ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifnull、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、if_icmplt、if_icmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeg 和 if_acmpne。
• 复合条件分支：tableswitch、lookupswitch。
• 无条件分支：goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret。
   

七、方法调用和返回指令

这里列出一下 5 条用于方法调用的指令。

• invokevirtual 指令用于调用对象的实例方法，根据对象的实例类型进行分派。
• invokeinterfce 指令用于调用接口方法，它会在运行时搜索一个实现类这个接口方法的对象，找出适合的方法进行调用。
• invokespecial 指令用于调用一些需要特需处理的实例方法，包括实例初始化方法、私有方法和父类方法。
• invokestatic 指令用于调用类方法。
• invokedynamic 指令用于在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，并执行该方法。方法调用指令与数据类型无关，而方法返回指令是根据返回值的类型区分的，包括 ireturn（当返回值是 boolean、byte、char、short 和 int 类型时使用）、lreturn、freturn、dreturn 和 areturn。另外还有一条 return 指令供声明为 void 的方法、实例初始化方法以及类和接口的类初始化方法使用。

八、异常处理指令

在 Java 程序显式的抛出异常的操作（throw 语句）都由 athrow 指令来实现。而在 Java 虚拟机中，处理异常（catch 语句）不是有字节码指令来实现的，而是采用异常表来完成的。

九、同步指令

Java 虚拟机可以支持方法级的同步（即同步方法）和方法内部一段指令序列的同步（即同步代码块），这两种同步结构都是使用管程（Monitor）来支持的。

方法级的同步是隐式的，即无须通过字节码指令来控制，它实现再方法调用和返回操作之中。虚拟机可以从方法常量池的方法表结构中的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志得知一个方法是否声明为同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程就要求先成功持有管程（Monitor），然后才能执行方法，最后当方法完成时释放管城。在方法执行期间，执行线程持有了管程，其他任何线程都无法在获取到同一个管程。如果一个同步方法执行期间抛出了一次，并且在方法内部无法处理此异常，那么这个同步方法所持有的管程将在异常抛出到同步方法之外时自动释放。

同步一段指令集序列通常是由 Java 语言中的 synchronized 语句块来表示的，Java 虚拟机的指令集中有 monitorenter 和 monitorexit 两条指令来支持 synchronized 关键字的语义，正确实现synchronized 关键字需要 Javac 编译器与 Java 虚拟机两者共同协作支持。

虚拟机字节码执行引擎

执行引擎是java虚拟机最核心的组成部件之一。虚拟机的执行引擎由自己实现，所以可以自行定制指令集与执行引擎的结构体系，并且能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。

所有的Java虚拟机的执行引擎都是一致的：输入的是字节码文件，处理过程是字节码解析的等效过程，输出的是执行结果。本节将主要从概念模型的角度来讲解虚拟机的方法调用和字节码执行。

一、运行时栈帧结构

栈帧（Stack Frame） 是用于支持虚拟机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。

 

局部变量表

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定义的局部变量。局部变量表的容量以变量槽（Variable Slot）为最小单位。 一个Slot可以存放一个32位以内（boolean、byte、char、short、int、float、reference和returnAddress）的数据类型，reference类型表示一个对象实例的引用，returnAddress已经很少见了，可以忽略。对于64位的数据类型（Java语言中明确的64位数据类型只有long和double），虚拟机会以高位对齐的方式为其分配两个连续的Slot空间。

虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表，索引值的范围从0开始至局部变量表最大的Slot数量。访问的是32位数据类型的变量，索引n就代表了使用第n个Slot,如果是64位数据类型，就代表会同时使用n和n+1这两个Slot。

为了节省栈帧空间，局部变量Slot可以重用，方法体中定义的变量，其作用域并不一定会覆盖整个方法体。如果当前字节码PC计数器的值超出了某个变量的作用域，那么这个变量的Slot就可以交给其他变量使用。这样的设计会带来一些额外的副作用，比如：在某些情况下，Slot的复用会直接影响到系统的收集行为。

操作数栈

操作数栈（Operand Stack） 也常称为操作栈，它是一个后入先出栈。当一个方法执行开始时，这个方法的操作数栈是空的，在方法执行过程中，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。

在概念模型中，一个活动线程中两个栈帧是相互独立的。但大多数虚拟机实现都会做一些优化处理：让下一个栈帧的部分操作数栈与上一个栈帧的部分局部变量表重叠在一起，这样的好处是方法调用时可以共享一部分数据，而无须进行额外的参数复制传递。

动态连接

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；字节码中方法调用指令是以常量池中的指向方法的符号引用为参数的，有一部分符号引用会在类加载阶段或第一次使用的时候转化为直接引用，这种转化称为 静态解析，另外一部分在每次的运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。

方法返回地址

当一个方法被执行后，有两种方式退出这个方法：

第一种是执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，这种退出方法的方式称为正常完成出口（Normal Method Invocation Completion）。

另外一种是在方法执行过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法体内得到处理（即本方法异常处理表中没有匹配的异常处理器），就会导致方法退出，这种退出方式称为异常完成出口（Abrupt Method Invocation Completion）。

注意：这种退出方式不会给上层调用者产生任何返回值。无论采用何种退出方式，在方法退出后，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行，方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息，用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。一般来说，方法正常退出时，调用者的PC计数器的值可以作为返回地址，栈帧中很可能会保存这个计数器值。而方法异常退出时，返回地址是通过异常处理器表来确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息。方法退出的过程实际上等同于把当前栈帧出栈，因此退出时可能执行的操作有：恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，把返回值（如果有的话）压入调用者栈帧的操作数栈中，调整PC计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令等。

二、方法调用

方法调用阶段的目的：确定被调用方法的版本（哪一个方法），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。一切方法调用在Class文件里存储的都只是符号引用，这是需要在类加载期间或者是运行期间，才能确定为方法在实际运行时内存布局中的入口地址（相当于之前说的直接引用），方法调用分为解析和分派两个过程。

解析

“编译期可知，运行期不可变”的方法（静态方法和私有方法），在类加载的解析阶段，会将其符号引用转化为直接引用（入口地址）。这类方法的调用称为“解析（Resolution）”。在Java虚拟机中提供了5条方法调用字节码指令：

- invokestatic : 调用静态方法

- invokespecial:调用实例构造器方法、私有方法、父类方法

- invokevirtual:调用所有的虚方法

- invokeinterface:调用接口方法，会在运行时在确定一个实现此接口的对象

- invokedynamic:先在运行时动态解析出点限定符所引用的方法，然后再执行该方法，在此之前的4条调用命令的分派逻辑是固化在Java虚拟机内部的，而invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。

分派

分派调用过程将会揭示多态性特征的一些最基本的体现，如“重载”和“重写”在Java虚拟中是如何实现的。

分派调用则可能是静态的也可能是动态的，根据分派依据的宗量数（方法的调用者和方法的参数统称为方法的宗量）又可分为单分派和多分派。两类分派方式两两组合便构成了静态单分派、静态多分派、动态单分派、动态多分派四种分派情况。

所有依赖静态类型来定位方法执行版本的分派动作，都称为静态分派。静态分派发生在编译阶段。静态分派的最典型应用就是多态性中的方法重载。静态分派发生在编译阶段，因此确定静态分配的动作实际上不是由虚拟机来执行的。静态类型在编译器可知，而实际类型到运行期才确定下来。在重载时通过参数的静态类型而不是实际类型作为判定依据，因此，在编译阶段，Javac编译器会根据参数的静态类型决定使用哪个重载版本。

在运行期根据实际类型确定方法执行版本的分派过程称为动态分派。最典型的应用就是方法覆写(重写)。动态分派与多态性的另一个重要体现——方法覆写(重写)有着很紧密的关系。向上转型后调用子类覆写的方法便是一个很好地说明动态分派的例子。这种情况很常见，因此这里不再用示例程序进行分析。很显然，在判断执行父类中的方法还是子类中覆盖的方法时，如果用静态类型来判断，那么无论怎么进行向上转型，都只会调用父类中的方法，但实际情况是，根据对父类实例化的子类的不同，调用的是不同子类中覆写的方法，很明显，这里是要根据变量的实际类型来分派方法的执行版本的。而实际类型的确定需要在程序运行时才能确定下来，这种在运行期根据实际类型确定方法执行版本的分派过程称为动态分派。

方法的接收者、方法的参数都可以称为方法的宗量。根据分批基于多少种宗量，可以将分派划分为单分派和多分派。单分派是根据一个宗量对目标方法进行选择的，多分派是根据多于一个的宗量对目标方法进行选择的。

Java在进行静态分派时，选择目标方法要依据两点：一是变量的静态类型是哪个类型，二是方法参数是什么类型。因为要根据两个宗量进行选择，所以Java语言的静态分派属于多分派类型。运行时阶段的动态分派过程，由于编译器已经确定了目标方法的签名（包括方法参数），运行时虚拟机只需要确定方法的接收者的实际类型，就可以分派。因为是根据一个宗量作为选择依据，所以Java语言的动态分派属于单分派类型。

注：根据以上论证，我们可以总结如下：目前的 Java 语言（JDK1.8）是一门静态多分派、动态单分派的语言。

虚拟机类加载机制

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载 （Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化 （Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接（Linking）。

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类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（也称为动态绑定或晚期绑定）。注意，这里是按部就班地“开始”，而不是按部就班地“进行”或“完成”，强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

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，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5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4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（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，以及调用一个类的静态方法的时候。

2)、使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

3)、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。

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 1.8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REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

一、加载过程详解

加载

在加载阶段（可以参考java.lang.ClassLoader的loadClass()方法），虚拟机需要完成以下3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（并没有指明要从一个Class文件中获取，可以从其他渠道，譬如：网络、动态生成、数据库等）；

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；加载阶段和连接阶段（Linking）的部分内容（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内容，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。

验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

1、文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以魔术0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。

2、元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。

3、字节码验证：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。

4、符号引用验证：确保解析动作能正确执行。验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone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。

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，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.因为这时候尚未开始执行任何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()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。至于“特殊情况”是指：public static final int value=123，即当类字段的字段属性是ConstantValue时，会在准备阶段初始化为指定的值，所以标注为final之后，value的值在准备阶段初始化为123而非0。

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。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，到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的java程序代码。在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序猿通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者说：初始化阶段是执行类构造器()方法的过程.

类构造器()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{}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所决定的，静态语句块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。

二、类加载器

把类加载阶段的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作交给虚拟机之外的类加载器来完成。这样的好处在于，我们可以自行实现类加载器来加载其他格式的类，只要是二进制字节流就行，这就大大增强了加载器灵活性。系统自带的类加载器分为三种：

1. 启动类加载器。

2. 扩展类加载器。

3. 应用程序类加载器。

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。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。这里所指的“相等”，包括代表类的Class对象的equals（）方法、isAssignableFrom（）方法、isInstance（）方法的返回结果，也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。如果没有注意到类加载器的影响，在某些情况下可能会产生具有迷惑性的结果。

启动类加载器(BootStarap ClassLoader)：启动类是由C++实现的，负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中，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目录中也不会加载)类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器的时，需要把加载请求委派给启动类加载器，那直接使用null代替即可。

扩展类加载器(Extension ClassLoader)：负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指的的路径中的所有类库。

应用程序类加载器(Application ClassLoader): 负责加载用户类路径（classpath）上的指定类库，我们可以直接使用这个类加载器。一般情况，如果我们没有自定义类加载器默认就是用这个加载器。

• 双亲委派模型(Parents Delegation Model)

双亲委派模型除了要求顶层的启动类加载器外，其他的类加载器都应当有自已的父类加载器。这里的类加载器之间的父子关系一般不会以继承(Inheritance) 的关系来实现，而是使用组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。

如果一个类加载器收到了类加载请求，它首先不会自已去尝试加载这个类，而是会把这个请求委派给父类的加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自已无法完成这个加载请求(他的搜索范围中没有找到所需的类)时，子加载器才会尝试自已去加载。

好处：java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar中，无论哪个类加载器要加载这个类，最终都会委派给启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反，如果用户自己写了一个名为java.lang.Object的类，并放在程序的Classpath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，java类型体系中最基础的行为也无法保证，应用程序也会变得一片混乱。

双亲委派机制的作用

1、防止重复加载同一个.class。通过委托去向上面问一问，加载过了，就不用再加载一遍。保证数据安全。

2、保证核心.class不能被篡改。通过委托方式，不会去篡改核心.clas，即使篡改也不会去加载，即使加载也不会是同一个.class对象了。不同的加载器加载同一个.class也不是同一个Class对象。这样保证了Class执行安全。

双亲委派模型很好的解决了各个类加载器加载基础类的统一性问题。即越基础的类由越上层的加载器进行加载。若加载的基础类中需要回调用户代码，而这时顶层的类加载器无法识别这些用户代码，怎么办呢？这时就需要破坏双亲委派模型了。

下面介绍两个例子来讲解破坏双亲委派模型的过程。

1. JNDI破坏双亲委派模型

JNDI是Java标准服务，它的代码由启动类加载器去加载。但是JNDI需要回调独立厂商实现的代码，而类加载器无法识别这些回调代码（SPI）。为了解决这个问题，引入了一个线程上下文类加载器。 可通过Thread.setContextClassLoader()设置。利用线程上下文类加载器去加载所需要的SPI代码，即父类加载器请求子类加载器去完成类加载的过程，而破坏了双亲委派模型。

2. Spring破坏双亲委派模型

Spring要对用户程序进行组织和管理，而用户程序一般放在WEB-INF目录下，由WebAppClassLoader类加载器加载，而Spring由Common类加载器或Shared类加载器加载。那么Spring是如何访问WEB-INF下的用户程序呢？使用线程上下文类加载器。 Spring加载类所用的classLoader都是通过Thread.currentThread().getContextClassLoader()获取的。当线程创建时会默认创建一个AppClassLoader类加载器（对应Tomcat中的WebAppclassLoader类加载器）：setContextClassLoader(AppClassLoader)。利用这个来加载用户程序。即任何一个线程都可通过getContextClassLoader()获取到WebAppclassLoader。

 

 

 

 

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