Chapter 5. Loading, Linking, and Initializing

---

Chương 5 của Java Virtual Machine Specification (JVM Spec) SE 21 mô tả quá trình tải lớp (Class Loading) và liên kết (Linking) trong JVM. Đây là một trong những bước quan trọng trong quá trình thực thi chương trình Java.

🔥 1. Quá trình thực thi một class trong JVM

JVM thực thi một class bằng cách trải qua 5 giai đoạn chính:

1️⃣ Loading (Tải lớp) 2️⃣ Linking (Liên kết)

• Verification (Kiểm tra)

• Preparation (Chuẩn bị)

• Resolution (Giải quyết tham chiếu) 3️⃣ Initialization (Khởi tạo) 4️⃣ Execution (Thực thi - chạy bytecode) 5️⃣ Unloading (Giải phóng bộ nhớ, nếu cần)

🔹 2. Loading - Tải lớp

Khi một class được sử dụng, JVM cần nạp (load) nó vào bộ nhớ từ .class file.

📌 Các Class Loader quan trọng:

Class Loader	Mô tả
Bootstrap ClassLoader	Tải các class cốt lõi của Java (rt.jar, java.base)
Extension ClassLoader	Tải các thư viện mở rộng từ ext/
Application ClassLoader	Tải các class từ đường dẫn ứng dụng (classpath)
Custom ClassLoader	ClassLoader do lập trình viên tự định nghĩa

📌 Ví dụ: Khi ta chạy:

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, JVM!");
    }
}

JVM thực hiện: 1️⃣ Bootstrap ClassLoader tải java.lang.Object, java.lang.String, v.v. 2️⃣ Application ClassLoader tải Main.class.

Bạn có thể kiểm tra class loader bằng:

System.out.println(Main.class.getClassLoader());  // Application ClassLoader
System.out.println(String.class.getClassLoader());  // null (Bootstrap ClassLoader)

🔹 3. Linking - Liên kết

Sau khi một class được tải, JVM sẽ liên kết nó. Quá trình này có 3 bước:

🔸 (1) Verification (Kiểm tra) 🔍

• JVM kiểm tra tính hợp lệ của bytecode để đảm bảo nó không có lỗi hoặc mã độc.

• Nếu có lỗi, JVM báo java.lang.VerifyError.

📌 Các kiểm tra chính: ✅ Kiểm tra định dạng .class file hợp lệ (magic number, version, v.v.) ✅ Kiểm tra kiểu dữ liệu hợp lệ (ví dụ: không thể ép kiểu int thành String) ✅ Kiểm tra truy cập hợp lệ (private, protected, public)

🔸 (2) Preparation (Chuẩn bị) 🏗️

• JVM cấp phát bộ nhớ cho biến static, gán giá trị mặc định (0, null, false, v.v.).

• Chưa gọi đến giá trị khởi tạo do lập trình viên gán!

class A {
    static int x = 10;
}

💡 Ở bước Preparation, x được cấp phát bộ nhớ và gán mặc định là 0. 💡 Sau đó, ở bước Initialization, x mới được gán giá trị 10.

🔸 (3) Resolution (Giải quyết tham chiếu) 🔗

• JVM thay thế các tham chiếu biểu tượng (symbolic reference) trong constant pool bằng địa chỉ bộ nhớ thực tế.

• Điều này áp dụng cho:

  • Class & Interface (chuyển "java/lang/String" → String.class)

  • Field & Method (chuyển #3 (println) → System.out.println)

📌 Ví dụ:System.out.println("Hello");

1️⃣ Constant Pool chứa MethodRef #3 (println) 2️⃣ Resolution sẽ ánh xạ #3 thành địa chỉ thực tế của System.out.println trong RAM.

🔹 4. Initialization - Khởi tạo 🚀

Đây là lúc JVM thực thi code khởi tạo class:

• Gán giá trị cho các biến static

• Gọi static block

• Gọi hàm khởi tạo (constructor) nếu là instance

📌 Ví dụ:

class A {
    static int x = 10;
    static { 
        System.out.println("Static block chạy!"); 
        x += 5;
    }
}

💡 Output khi class được dùng lần đầu tiên:

Static block chạy!

💡 Lúc này, x = 15.

🔹 5. Execution - Thực thi bytecode 🏃

Sau khi class được khởi tạo, JVM chạy main method:

public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Hello, JVM!");
}

JVM thực thi từng lệnh bytecode bằng Java Interpreter hoặc JIT Compiler.

Bạn có thể xem bytecode bằng:

javap -c Main.class

Ví dụ output:

0: getstatic     #2 (System.out)
3: ldc           #3 ("Hello, JVM!")
5: invokevirtual #4 (println)

🔹 6. Unloading - Giải phóng bộ nhớ

JVM có thể xóa class khỏi bộ nhớ khi:

• ClassLoader chứa nó bị GC thu hồi.

• Nó là một dynamically loaded class mà không còn reference.

Tuy nhiên, Bootstrap ClassLoader thường không unload class.

📌 Ví dụ unload class:

ClassLoader myLoader = new MyClassLoader();
Class<?> dynamicClass = myLoader.loadClass("MyClass");
dynamicClass = null;
System.gc(); // JVM có thể unload MyClass nếu không còn tham chiếu

🚀 Tóm tắt

Giai đoạn	Mô tả
Loading	ClassLoader tải .class vào bộ nhớ
Verification	JVM kiểm tra tính hợp lệ của bytecode
Preparation	Cấp phát bộ nhớ và gán giá trị mặc định
Resolution	Biến đổi tham chiếu biểu tượng thành địa chỉ thật
Initialization	Chạy static block và gán giá trị cho static fields
Execution	Chạy bytecode bằng JVM Interpreter / JIT Compiler
Unloading	JVM giải phóng class nếu cần