JVM 中類(lèi)加載的鏈接與初始化

1. 前言

對(duì)于類(lèi)加載子系統(tǒng)，前邊的課程已經(jīng)對(duì)加載（Loading）這一步做了詳細(xì)的講解，本節(jié)主要對(duì)類(lèi)加載子系統(tǒng)加載步驟中的鏈接與初始化進(jìn)行講解。本節(jié)主要知識(shí)點(diǎn)如下：

• 鏈接（Linking）步驟更加詳細(xì)的模塊劃分：驗(yàn)證，準(zhǔn)備和解析，為本節(jié)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)；
• 掌握在鏈接（Linking）步驟中的第一步驗(yàn)證的詳細(xì)驗(yàn)證內(nèi)容，為本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容之一；
• 掌握在鏈接（Linking）步驟中的第二步準(zhǔn)備的準(zhǔn)備內(nèi)容，為本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容之一；
• 掌握在鏈接（Linking）步驟中的第三步解析的具體解析內(nèi)容，為本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容之一；
• 掌握初始化（Init）步驟中的規(guī)則以及實(shí)例初始化順序，為本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容之一。

通篇皆為重點(diǎn)內(nèi)容，本節(jié)知識(shí)也會(huì)為類(lèi)加載子系統(tǒng)部分畫(huà)上一個(gè)完美的句號(hào)，一定要認(rèn)真對(duì)待。

2. 類(lèi)加載子系統(tǒng)知識(shí)回顧

我們?cè)贘VM 總體架構(gòu)的講解過(guò)程中，提到過(guò)類(lèi)加載子系統(tǒng)的工作流程分為三步：加載->鏈接->初始化。如下圖所示：

本節(jié)我們所討論的內(nèi)容都是圍繞第二步“鏈接（Linking）” 和第三步“初始化（Init）”進(jìn)行的。
我們將鏈接（Linking）這一步，再進(jìn)行下細(xì)致的模塊劃分，如下圖所示：

從上圖中我們可看到，鏈接（Linking）這一步，里邊包含了三個(gè)更加細(xì)致的步驟，分別為驗(yàn)證（verify），準(zhǔn)備（prepare）和解析（resolve）。后文我們會(huì)對(duì)這三個(gè)步驟進(jìn)行講解。

3. 鏈接-驗(yàn)證（verify）

定義：驗(yàn)證是連接階段的第一步，這一階段的目的是為了確保 Class 文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并不會(huì)危害虛擬機(jī)的自身安全。

驗(yàn)證過(guò)程的主要驗(yàn)證信息：驗(yàn)證過(guò)程中，主要對(duì)三種類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，分別是“元數(shù)據(jù)驗(yàn)證，字節(jié)碼驗(yàn)證和符號(hào)引用驗(yàn)證”。具體內(nèi)容請(qǐng)看下邊的講解。

元數(shù)據(jù)驗(yàn)證：

• 驗(yàn)證這個(gè)類(lèi)是否有父類(lèi)（除了 java.lang.Object 之外，所有類(lèi)都應(yīng)當(dāng)有父類(lèi)）；
• 驗(yàn)證這個(gè)類(lèi)是否繼承了不允許被繼承的類(lèi)（被 final 修飾的類(lèi)）；
• 如果這個(gè)類(lèi)不是抽象類(lèi)，驗(yàn)證該類(lèi)是否實(shí)現(xiàn)了其父類(lèi)或接口之中所要求實(shí)現(xiàn)的所有方法；
• 驗(yàn)證類(lèi)中的字段、方法是否與父類(lèi)產(chǎn)生矛盾（例如覆蓋了父類(lèi)的 final 字段，或者出現(xiàn)不符合規(guī)則的方法重載，例如方法參數(shù)都一致，但返回值類(lèi)型卻不同等等）。

字節(jié)碼驗(yàn)證：字節(jié)碼驗(yàn)證主要目的是通過(guò)數(shù)據(jù)流和控制流分析，確定程序語(yǔ)義是合法的、符合邏輯的。這個(gè)階段將對(duì)類(lèi)的方法體進(jìn)行校驗(yàn)分析，保證被校驗(yàn)類(lèi)的方法在運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生危害虛擬機(jī)安全的事件，例如：

• 保證任意時(shí)刻操作數(shù)棧的數(shù)據(jù)類(lèi)型與指令代碼序列都能配合工作。例如不會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似這樣的情況：在操作數(shù)棧放置了一個(gè)int類(lèi)型的數(shù)據(jù)，使用時(shí)卻按long類(lèi)型來(lái)加載入本地變量表中；
• 保證跳轉(zhuǎn)指令不會(huì)跳轉(zhuǎn)到方法體以外的字節(jié)碼指令上；
• 保證方法體中的類(lèi)型轉(zhuǎn)換是有效的，例如可以把一個(gè)子類(lèi)對(duì)象賦值給父類(lèi)數(shù)據(jù)類(lèi)型，但是把父類(lèi)對(duì)象賦值給子類(lèi)數(shù)據(jù)類(lèi)型，甚至把對(duì)象賦值給與它毫無(wú)繼承關(guān)系、完全不相干的一個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型，則是危險(xiǎn)不合法的。

符號(hào)引用驗(yàn)證：符號(hào)引用驗(yàn)證可以看作是類(lèi)對(duì)自身以外（常量池中的各種符號(hào)引用）的信息進(jìn)行匹配性校驗(yàn)，通常需要校驗(yàn)以下內(nèi)容：

• 符號(hào)引用中通過(guò)字符串描述的全限定名是否能夠找到對(duì)應(yīng)的類(lèi)；
• 在指定類(lèi)中是否存在符合方法的字段描述符以及簡(jiǎn)單名稱(chēng)所描述的方法和字段；
• 符號(hào)引用中的類(lèi)、字段、方法的訪問(wèn)性（private、default、protected、public）是否可被當(dāng)前類(lèi)訪問(wèn)。

4. 鏈接-準(zhǔn)備（prepare）

定義：準(zhǔn)備階段是正式為類(lèi)變量分配內(nèi)存并設(shè)置類(lèi)變量默認(rèn)值（通常情況下是數(shù)據(jù)類(lèi)型的零值）的階段，這些變量所使用的內(nèi)存都將在方法區(qū)中進(jìn)行分配。這時(shí)候進(jìn)行內(nèi)存分配的僅包括類(lèi)變量（被static修飾的變量），而不包括實(shí)例變量，實(shí)例變量將會(huì)在對(duì)象實(shí)例化的時(shí)候隨著對(duì)象一起分配在Java堆中。

Tips：準(zhǔn)備階段是設(shè)置類(lèi)變量的默認(rèn)值，不同類(lèi)型的類(lèi)變量的默認(rèn)值是不同的。變量默認(rèn)值的對(duì)照表請(qǐng)參看下表：

變量類(lèi)型

默認(rèn)值

int

0

long

0L

short

0

char

‘\u0000’

byte

0

boolean

false

folat

0.0f

double

0.0d

reference

null

5. 鏈接-解析（resolve）

定義：解析階段是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號(hào)引用替換為直接引用的過(guò)程。

Tips：定義中又引出了兩個(gè)新的概念：符號(hào)引用和直接引用。想要理解解析，必須要先搞明白什么是符號(hào)引用和直接引用。

符號(hào)引用（Symbolic References）：符號(hào)引用以一組符號(hào)來(lái)描述所引用的目標(biāo)，符號(hào)可以是任何形式的字面量，只要使用時(shí)能無(wú)歧義地定位到目標(biāo)即可。

直接引用（Direct References）：直接引用可以是直接指向目標(biāo)的指針、相對(duì)偏移量或是一個(gè)能間接定位到目標(biāo)的句柄。如果有了直接引用，那么引用的目標(biāo)一定是已經(jīng)存在于內(nèi)存中。

解析過(guò)程具體的解析內(nèi)容：解析過(guò)程中，主要對(duì)如下4種類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證：

• 類(lèi)或接口的解析；
• 字段解析；
• 類(lèi)方法解析；
• 接口方法解析。

6. 初始化

定義：進(jìn)行準(zhǔn)備階段時(shí)，變量已經(jīng)賦過(guò)一次系統(tǒng)要求的初始零值，而在初始化階段，則會(huì)根據(jù)程序員通過(guò)程序編碼制定的主觀計(jì)劃去初始化類(lèi)變量和其他資源。

類(lèi)的初始化階段是類(lèi)加載過(guò)程的最后一個(gè)步驟，之前介紹的幾個(gè)類(lèi)加載的動(dòng)作里，除了在加載階段用戶(hù)應(yīng)用程序可以通過(guò)自定義類(lèi)加載器的方式局部參與外，其余動(dòng)作都完全由Java虛擬機(jī)來(lái)主導(dǎo)控制。直到初始化階段，Java虛擬機(jī)才真正開(kāi)始執(zhí)行類(lèi)中編寫(xiě)的 Java 程序代碼，將主導(dǎo)權(quán)移交給應(yīng)用程序。

實(shí)例的初始化順序：在進(jìn)行初始化時(shí)，實(shí)例變量的初始化順序如下圖所示：

實(shí)例的初始化順序是非常重要的知識(shí)點(diǎn)，在面試過(guò)程中也經(jīng)常涉及到這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，上圖的加載順序需要重點(diǎn)掌握。

7. 小結(jié)

到目前為止，類(lèi)加載器子系統(tǒng)就全部講解完成了。我們學(xué)習(xí)了類(lèi)的加載，三種類(lèi)加載器，雙親委派模型以及本節(jié)所講述的鏈接與初始化，其中對(duì)鏈接有細(xì)分了三個(gè)步驟進(jìn)行了講解。

類(lèi)加載器子系統(tǒng)是非常重要的 JVM 模塊，需要用心學(xué)習(xí)，對(duì)于一些概念性知識(shí)要增強(qiáng)理解，原理性知識(shí)要深入思索。后續(xù)我們會(huì)繼續(xù)講解 JVM 的其他重要模塊。