JVM基础 -- 类加载

引用类型

类（字节流）
接口（字节流）
数组类（由JVM直接生成）
泛型参数（类型擦除，伪泛型）

类加载过程

加载

加载：查找字节流，并且据此创建类的过程
对于数组类，没有对应的字节流，而是由JVM直接生成的
- 对于其他类而言，JVM需要借助类加载器来完成查找字节流的过程

类加载器

启动类加载器（boot class loader）：由C++实现，没有对应的Java对象，在Java中只能用null来指代
除了启动类加载器外，其他的类加载器都是java.lang.ClassLoader的子类，有对应的Java对象
- 这些类加载器需要先由另一个类加载器（如启动类加载器），加载至Java虚拟机中，方能执行类加载
双亲委派模型
- 每当一个类加载器接收到加载请求时，会先将请求转发给父类加载器
- 在父类加载器没有找到所请求的类的情况下，该类加载器才会尝试自己加载
Before Java9
- 启动类加载器（boot class loader）：负责加载最基础、最重要的类（-Xbootclasspath）
- 扩展类加载器（extension class loader）：父类加载器为启动类加载器，负责加载相对次要、但又通用的类（java.ext.dirs）
- 应用类加载器（application class loader）：父类加载器为扩展类加载器，负责加载应用程序路径下的类
  - -cp
  - -classpath
  - 系统变量java.class.path
  - 环境变量CLASSPATH
Since Java9
- 引入模块系统
- 扩展类加载器改名为平台类加载器(platform class loader)
- Java SE中除了少数几个关键模块（java.base）是由启动类加载器加载之外，其他的模块均由平台类加载器所加载
自定义类加载
- 例如对class文件进行加密，加载时再利用自定义的类加载器对其解密

命名空间+唯一性

类的唯一性：类加载实例 + 类的全名

链接

链接：将创建的类合并至JVM，使之能够执行的过程
链接过程：验证、准备和解析

验证

确保被加载到类能够满足JVM的约束条件
Java编译器生成的类文件必然满足JVM的约束条件

准备

为被加载类的静态字段分配内存
Java代码中对静态字段的具体初始化，会在初始化阶段进行
构造其他与类层次相关的数据结构，例如用来实现虚方法的动态绑定的方法表

解析（可选）

解析：将符号引用解析成为实际引用
在class文件被加载至JVM之前，这个类是无法知道其他类及其方法、字段所对应的具体地址，甚至不知道自己方法、字段的地址
- 因此每当需要引用这些成员时，Java编译器都会生成一个符号引用
- 在运行阶段，这个符号引用一般都能够无歧义地定位到具体目标上
如果符号引用指向一个未被加载的类或者未被加载到类的字段或方法，那么解析将会触发这个类的加载（未必触发这个类的链接和初始化）
Java虚拟机规范并没有要求在链接过程中要完成解析
- 如果某些字节码使用了符号引用，那么在执行这些字节码之前，需要完成对这些符号引用的解析

初始化

初始化：为标记为常量值的字段赋值 + 执行方法
如果要初始化一个静态字段，可以在声明时直接赋值，也可以在静态代码块中对其赋值
如果直接赋值的静态字段被final所修饰，并且它的类型是基本类型或字符串时，那么该字段便会被Java编译器标记为常量值（ConstantValue）,其初始化直接由JVM完成
除此之外的直接赋值操作以及所有静态代码块中的代码，则会被Java编译器置于同一方法中，既**<clinit>**
JVM会通过加锁来保证类的**<clinit>** 仅被执行一次
只有当初始化完成后，类才正式开始成为可执行的状态

触发时机

new指令
putstatic/getstatic指令
invokestatic指令
反射
- Class.forName
- Class.newInstance
子类的初始化会触发父类的初始化
执行主类
如果接口定义了default方法，那么直接实现或者间接实现该接口的类进行初始化，会触发该接口初始化

详情请访问类加载 - 类初始化

// JVM参数：-verbose:class
public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    private static class LazyHolder {
        static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

        static {
            System.out.println("LazyHolder.<clinit>");
        }
    }

    private static Object getInstance(boolean flag) {
        if (flag) {
            // Loaded xxx.Singleton$LazyHolder from file:XXX
            // 新建数组知会导致加载，但不会导致初始化
            return new LazyHolder[2];
        }
        // LazyHolder.<clinit>
        // getstatic指令触发类的初始化
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        getInstance(true);
        System.out.println("----");
        getInstance(false);
    }
}

新建数组

新建数组只会触发加载阶段，而不会触发链接和初始化阶段

$ java -cp ./asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jdis.Main Singleton\$LazyHolder.class > Singleton\$LazyHolder.jasm.bak

# 将字节码修改为不符合JVM规范，在类加载-链接阶段会报错（从而验证有没有执行到链接阶段）
$ awk 'NR==1,/stack 1/{sub(/stack 1/, "stack 0")} 1' Singleton\$LazyHolder.jasm.bak > Singleton\$LazyHolder.jasm

$ java -cp ./asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jasm.Main Singleton\$LazyHolder.jasm

$ java -verbose:class Singleton
[Loaded Singleton$LazyHolder from file:/Users/zhongmingmao/Downloads/asmtools-7.0-build/dist/asmtools-7.0/lib/]
----
[Loaded java.lang.VerifyError from /Users/zhongmingmao/.sdkman/candidates/java/8.0.181-oracle/jre/lib/rt.jar]
Exception in thread "main" [Loaded java.lang.Throwable$PrintStreamOrWriter from /Users/zhongmingmao/.sdkman/candidates/java/8.0.181-oracle/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.lang.Throwable$WrappedPrintStream from /Users/zhongmingmao/.sdkman/candidates/java/8.0.181-oracle/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.util.IdentityHashMap from /Users/zhongmingmao/.sdkman/candidates/java/8.0.181-oracle/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.util.IdentityHashMap$KeySet from /Users/zhongmingmao/.sdkman/candidates/java/8.0.181-oracle/jre/lib/rt.jar]
java.lang.VerifyError: Operand stack overflow
Exception Details:
  Location:
    Singleton$LazyHolder.<init>()V @0: aload_0
  Reason:
    Exceeded max stack size.
  Current Frame:
    bci: @0
    flags: { flagThisUninit }
    locals: { uninitializedThis }
    stack: { }
  Bytecode:
    0x0000000: 2ab7 0007 b1

    at Singleton.getInstance(Singleton.java:22)
    at Singleton.main(Singleton.java:28)