java類加載之連接過程（附hotspot類對象描述）

前一篇文章，介紹了字節碼是如何被加載，本文介紹一下加載流程中的連接過程，先從內存存儲結構提及。

這裏以hotspot爲例，在讀取class文件以後，會建立一個jvm層面(C++)的描述java類的InstanceClass對象：

// InstanceKlass layout:
// [C++ vtbl pointer ] Klass
// [subtype cache ] Klass
// [instance size ] Klass
// [java mirror ] Klass
// [super ] Klass
// [access_flags ] Klass
// [name ] Klass
// [first subklass ] Klass
// [next sibling ] Klass
// [array klasses ]
// [methods ]
// [local interfaces ]
// [transitive interfaces ]
// [fields ]
// [constants ]
// [class loader ]
// [source file name ]
// [inner classes ]
// [static field size ]
// [nonstatic field size ]
// [static oop fields size ]
// [nonstatic oop maps size ]
// [has finalize method ]
// [deoptimization mark bit ]
// [initialization state ]
// [initializing thread ]
// [Java vtable length ]
// [oop map cache (stack maps) ]
// [EMBEDDED Java vtable ] size in words = vtable_len
// [EMBEDDED nonstatic oop-map blocks] size in words = nonstatic_oop_map_size
// The embedded nonstatic oop-map blocks are short pairs (offset, length)
// indicating where oops are located in instances of this klass.
// [EMBEDDED implementor of the interface] only exist for interface
// [EMBEDDED host klass ] only exist for an anonymous class (JSR 292 enabled)
複製代碼

能夠看到這個C++類描述了一個class file的類結構(如java.lang.Integer)，根據它就能夠建立java類對應的實例了。hotspot中用instanceOopDesc描述一個java類實例對象，其結構包括對象標記，指向InstanceClass的指針，對象實例數據。

• _java_mirror: InstanceMirrorKlass類型（InstanceKlass的子類），是一個類結構在java語言層面的描述，即java.lang.Class類型對象的引用。
• _constants: 常量池（ConstantPool）指針，初始時常量池中仍是符號引用，解析事後會緩存
• _local_interfaces，_transitive_interfaces爲直接實現和繼承的接口列表
• _methods: 方法列表
• _fields：字段列表索引，項爲六元組[access, name index, sig index, initval index, low_offset, high_offset]

數組是類似的結構，這裏不提了

另外，在InstanceKlass定義了類的狀態：

state	desc
allocated	已分配，還未連接
loaded	已加載並插入類體系，還未連接
linked	已成功連接，但還未初始化
being_initialized	正在初始化
fully_initialized	已成功初始化（這時成功時的最終狀態）
initialization_error	初始化失敗

接下來，就是本文要介紹的jvm關於連接過程的規範。

​ 前文提到了連接包含驗證 -> 準備 -> 解析三個階段，jvm規範裏並無嚴格限制實現者如何實現，因此不一樣的jvm實現能夠不一樣，實際上不少虛擬機在爲類結構分配內存前已經完成了部分驗證工做，解析則可能在初始化時才進行，並且一個類的一個階段（好比驗證是否繼承了final修飾的類）會激活另外一個類的加載過程，實際狀況會很複雜。

驗證

驗證工做不是一次完成，而是分爲多步的，主要驗證的內容有字節碼靜態結構，語法和指令執行。

• 結構驗證

  • 前4個字節必須是魔數（0xcafebabe）
  • 版本是否支持
  • 全部可識別的屬性都能正確的解析
  • class文件末尾不能有多餘字節
  • 常量池是有效的（引用都能指向有效的常量位置且是正確的引用）
  • 字段和方法的引用name_index,descriptor_index都是有效的常量池常量（注意：此時並不驗證引用類）

• 語法驗證

  語法驗證包括類繼承是否合法，方法重載，覆蓋是否正確，非抽象類是否存在抽象方法等等，保證語法正確性。這個過程固然還涉及到常量池裏引用的常量是否有效，訪問範圍合法性等。

• 字節碼指令驗證

  • 指令靜態結構驗證：主要驗證code屬性中指令數組的指令是否能正確識別並被當前虛擬機支持，指令及對應操做數是否匹配，數組以指令開始，操做數若是指向常量池必須是有效引用，操做數若是表示局部變量表索引則不能超過max_locals - 1(long，double相關指令最大max_locals - 2)等靜態約束

  • 動態指令執行分析驗證：靜態驗證只能驗證指令流的語法正確性，但不能保證其執行的語義有效性，例如，iload指令去讀取一個對象引用，jsr跳到方法外去了，return了一個不匹配的類型值等。因此還須要從執行分析。

    執行分析驗證有早期的類型推導（Type Inference）和jdk1.6以後的基於類型檢查（Type Checking，經過StackMapTable）的驗證，這塊內容比較複雜，我也沒研究，因此就不寫了

Note: 一個類或接口的驗證若是觸發另外一個類或接口M被加載，但不要求M執行驗證與準備

準備

準備過程就是建立類或接口的靜態field併爲它分配零值，注意不是執行類構造器賦值（在初始化階段執行）。對於基本類型零值就是0，對於引用類型零值爲null。

能夠這樣理解：源碼中靜態字段賦值都是編譯的時候轉換成方法中的賦值指令，因此要等到指令執行後才賦值爲真正的值，但虛擬機在給類字段分配內存時須要先給它個值，因此給了零值。

jvm規範沒有要求準備階段確切何時執行但必定要在初始化執行前。

解析

解析過程就是將運行時常量池中的符號引用轉換爲直接引用的過程

• 符號引用

  符號引用就是以前講字節碼時說的以字面量形式表示的引用，如Ljava.lang.Object，這種引用方式只能表示引用的是什麼，但不知道引用的對象在哪裏（內存中的位置）

• 直接引用

  直接引用就是表示的被引用對象在內存中分配後的地址

遇到anewarray, checkcast, getfield, getstatic, instanceof, invokedynamic, invokeinterface, invokespecial, invokestatic, invokevirtual, ldc, ldc_w, ldc2_w, multianewarray, new, putfield, putstatic指令時須要進行解析，已解析過的常量會被標識以防止重複解析，但invokedynamic指令每次執行都會解析。

解析的對象有類或藉口，字段，類方法，接口方法，方法句柄，動態調用點：

• 類和接口解析
• 字段解析
• 方法解析
• 接口方法解析
• 方法類型和方法句柄解析
• 動態調用點解析

具體解析過程，在不一樣的jdk版本中有所區別，沒有精力寫了，感興趣能夠去看看官方文檔:D

往期內容：

詳解字節碼(class)文件

讀取class文件

經過源碼，實例詳解java類加載機制

下期預告：

jvm類初始化詳解

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