深入理解Java虚拟机:类加载过程

时间:2021-7-3 作者:qvyue

Java类加载

主要参考书籍《深入理解Java虚拟机》

一、概述

虚拟机的类加载机制:Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存,并对数据进行校验、转换解析和初始化,最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型,这个过程被称作虚拟机的类加载机制

与那些在编译时需要进行连接的语言不同

在Java语言里面,类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的

Java天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载动态连接这个特点实现的

二、类加载时机

类的生命周期(从被加载到虚拟机内存开始,到卸载出为止):

  1. 加载(Loading)
  2. 验证(Verification)
  3. 准备(Preparation)
  4. 解析(Resolution)
  5. 初始化(Initialization)
  6. 使用(Using)
  7. 卸载(Unloading)

验证、准备、解析三个部分统称为连接(Linking)

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的,类型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语言的运行时绑定特性(也称为动态绑定或晚期绑定)。

主动引用(必须初始化的场景)

  1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时,如果类型没有进行过初始化,则需要先触发其初始化阶段
  2. 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候,如果类型没有进行过初始化,则需要先触发其初始化
  3. 当初始化类的时候,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 7新加入的动态语言支持时,如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄,并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。
  6. 当一个接口中定义了JDK 8新加入的默认方法(被default关键字修饰的接口方法)时,如果有这个接口的实现类发生了初始化,那该接口要在其之前被初始化。

被动引用

  1. 通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化
    • 对于静态字段,只有直接定义这个字段的类才会被初始化,因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段,只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。
  2. 通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化
  3. 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中,本质上没有直接引用到定义常量的类,因此不会触发定义常量的类的初始化

三、类加载的过程

加载、验证、准备、解析和初始化5个步骤

1. 加载

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。 (它并没有指明二进制字节流必须得从某个 Class文件中获取,确切地说是根本没有指明要从哪里获取、如何获取)

2)将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区运行时数据结构。

3)在内存(堆)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

数组类型和非数组类型有区别。

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对于数组类而言,情况就有所不同,数组类本身不通过类加载器创建,它是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系,因为数组类的元素类型(ElementType,指的是数组去掉所有维度的类型)最终还是要靠类加载器来完成加载,一个数组类(下面简称为C)创建过程遵循以下规则:(略)P365

加载阶段结束后,Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了,方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义,《Java虚拟机规范》未规定此区域的具体数据结构。类型数据妥善安置在方法区之后,会在Java堆内存中实例化一个java.lang.Class类的对象,这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口

  1. 类 和 数组加载过程的区别

数组也有类型,称为“数组类型”。如:

String[] str = new String[10];

这个数组的数组类型是Ljava.lang.String,而String只是这个数组中元素的类型。

当程序在运行过程中遇到new关键字创建一个数组时,由JVM直接创建数组类,再由类加载器创建数组中的元素类。

而普通类的加载由类加载器完成。既可以使用系统提供的引导类加载器,也可以使用用户自定义的类加载器。

2. 验证

  • 验证是连接阶段的第一步

  • 目的:确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求,保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

    • 原因Class文件并不一定只能由Java源码编译而来,它可以使用包括靠键盘0和1直接在二进制编辑器中敲出Class文件在内的任何途径产生。上述Java代码无法做到的事情在字节码层面上都是可以实现的,至少语义上是可以表达出来的。Java虚拟机如果不检查输入的字节流,对其完全信任的话,很可能会因为载入了有错误或有恶意企图的字节码流而导致整个系统受攻击甚至崩溃,所以验证字节码是Java虚拟机保护自身的一项必要措施。

四个阶段:

  • 文件格式验证: 要验证字节流是否符合Class文件格式的规范,并且能被当前版本的虚拟机处理

    • 主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内,格式上符合描述一个Java类型信息的要求。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的,只有通过了这个阶段的验证之后,这段字节流才被允许进入Java虚拟机内存的方法区中进行存储,所以后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构上进行的,不会再直接读取、操作字节流了
  • 元数据验证对字节码描述的信息进行语义分析,以保证其描述的信息符合《Java语言规范》的要求

    • 主要目的是对类的元数据信息进行语义校验,保证不存在与《Java语言规范》定义相悖的元数据信息
    • 对元数据信息中的数据类型校验
  • 字节码验证

    • 最复杂
    • 主要目的是通过数据流分析和控制流分析,确定程序语义是合法的、符合逻辑的
    • 对类的方法体(Class文件中的Code属性)进行校验分析,保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为
  • 符号引用验证

    • 最后一个阶段的校验行为发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候
    • 这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生
    • 是对类自身以外(常量池中的各种符号引用)的各类信息进行匹配性校验
    • 主要目的是确保解析行为能正常执行,如果无法通过符号引用验证,Java虚拟机将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError的子类异常

验证阶段对于虚拟机的类加载机制来说,是一个非常重要的、但却不是必须要执行的阶段,因为验证阶段只有通过或者不通过的差别,只要通过了验证,其后就对程序运行期没有任何影响了。如果程序运行的全部代码(包括自己编写的、第三方包中的、从外部加载的、动态生成的等所有代码)都已经被反复使用和验证过,在生产环境的实施阶段就可以考虑使用-Xverify:none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

3. 准备

准备阶段:正式为类中定义的静态变量(即静态变量,被static修饰的变量)分配内存并设置类变量初始值的阶段。

  1. 为已经在方法区中的类中的静态成员变量分配内存
    • 类的静态成员变量也存储在方法区中。
  2. 为静态成员变量设置初始值
    • 初始值为0、false、null等。
    • 如果是常量(static final),则直接赋值

(这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性,那在准备阶段变量值就会被初始化为ConstantValue属性所指定的初始值)

概念上讲,这些变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配,在JDK 7及之前,HotSpot使用永久代来实现方法区时,实现是完全符合这种逻辑概念的;

在JDK 8及之后,类变量则会随着Class对象一起存放在Java堆

  • 准备阶段,进行内存分配的仅包括类变量,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Java堆中
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的动作要到类的初始化阶段才会被执行

public static final int value = 123;

编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性,在准备阶段虚拟机就会根据Con-stantValue的设置将value赋值为123。

4. 解析

解析阶段:是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程

  • 符号引用(Symbolic References):符号引用以一组符号来描述所引用的目标,符号可以是任何形式的字面量,只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关,引用的目标并不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同,但是它们能接受的符号引用必须都是一致的,因为符号引用的字面量形式明确定义在《Java虚拟机规范》的Class文件格式中。

  • 直接引用(Direct References):直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局直接相关的,同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用,那引用的目标必定已经在虚拟机的内存中存在

《Java虚拟机规范》之中并未规定解析阶段发生的具体时间,只要求了在执行ane-warray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invoke-special、 invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、ldc2_w、multianewarray、new、putfield和putstatic这17个用于操作符号引用的字节码指令之前先对它们所使用的符号引用进行解析

解析动作主要针对接口字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄调用点限定符这7类符号引用进行

(1)类或接口的解析

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(2)字段解析

前提:解析字段所属的类或者接口的符号引用。

要解析一个未被解析过的字段符号引用,首先将会对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析,也就是字段所属的类或接口的符号引用。如果在解析这个类或接口符号引用的过程中出现了任何异常,都会导致字段符号引用解析的失败。

java.lang.NoSuchFieldError异常

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(3)方法解析

前提:解析方法所属的类或者接口的符号引用。是需要先解析出方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用

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java.lang.NoSuchMethodError

(4)接口方法解析

前提:解析接口方法所属的类或者接口的符号引用。是需要先解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用

在JDK 9之前,Java接口中的所有方法都默认是public的,也没有模块化的访问约束,所以不存在访问权限的问题,接口方法的符号解析就不可能抛出java.lang.IllegalAccessError异常。但在JDK 9中增加了接口的静态私有方法,也有了模块化的访问约束,所以从JDK 9起,接口方法的访问也完全有可能因访问权限控制而出现java.lang.IllegalAccessError异常。

5. 初始化

在编译生成class文件时,会自动产生两个方法,一个是类的初始化方法clinit(), 另一个是实例的初始化方法init()

clinit():在jvm第一次加载class文件时调用,包括静态变量初始化语句和静态块的执行

init():在实例创建出来的时候调用,包括调用new操作符;调用Class或java.lang.reflect.Constructor对象的newInstance()方法;调用任何现有对象的clone()方法;通过java.io.ObjectInputStream类的getObject()方法反序列化。

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤,除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外,其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段,Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码,将主导权移交给应用程序

进行准备阶段时,变量已经赋过一次系统要求的初始零值,而在初始化阶段,则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源

初始化阶段就是执行类构造器clinit()方法的过程。clinit()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法,它是Javac编译器的自动生成物。

clinit()方法是由编译器自动收集中的所有类变量的赋值动作静态语句块(static{}块)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决定的,静态语句块中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

初始化阶段就是执行类构造器clinit()的过程。
clinit()方法由编译器自动产生,收集类中static{}代码块中的类变量赋值语句和类中静态成员变量的赋值语句。在准备阶段,类中静态成员变量已经完成了默认初始化,而在初始化阶段,clinit()方法对静态成员变量进行显示初始化。??(显式初始化)

public class Test { 
    static { 
        i = 0; // 给变量复制可以正常编译通过           
        System.out.print(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用”  
    }
   static int i = 1;
}
  • ()方法与类的构造函数(即在虚拟机视角中的实例构造器()方法)不同,它不需要显式地调用父类构造器,Java虚拟机会保证在子类的()方法执行前,父类的()方法已经执行 完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的()方法的类型肯定是java.lang.Object。

  • 由于父类的()方法先执行,也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作

  • ()方法对于类或接口来说并不是必需的,如果一个类中没有静态语句块,也没有对变量的赋值操作,那么编译器可以不为这个类生成()方法。

  • 接口中不能使用静态语句块,但仍然有变量初始化的赋值操作,因此接口与类一样都会生成 ()方法。但接口与类不同的是,执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法,因为只有当父接口中定义的变量被使用时,父接口才会被初始化。此外,接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。

  • Java虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁同步

同一个类加载器下,一个类型只会被初始化一次

四、类加载器

类加载阶段:通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节 流。

把这个动作放到Java虚拟机外部去实现,以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。实现这个动作的代码被称为“类加载器”(Class Loader)。

1. 类与类加载器

对于任意一个类,都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在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Java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

2. 双亲委派模型

  • 启动类加载器(Bootstrap Class Loader)
    • 器负责加载存放在 lib目录,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的,而且是Java虚拟机能够识别的(按照文件名识别,如rt.jar、tools.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机的内存中。
    • 启动类加载器无法被Java程序直接引用
  • 扩展类加载器(Extension Class Loader)
    • 负责加载libext目录中,或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。
    • 扩展类加载器是由Java代码实现的,开发者可以直接在程序中使用扩展类加载器来加载Class文件
  • 应用程序类加载器(Application Class Loader):
    • 负责加载用户类路径(ClassPath)上所有的类库
    • 开发者可以直接在代码中使用这个类加载器
    • 如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器,一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

各种类加载器之间的层次关系被称为类加载器的“双亲委派模型(Parents Delegation Model)”。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外,其余的类加载器都应有自己的父类加载器。不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承(Inheritance)的关系来实现的,而是通常使用 组合(Composition)关系来复用父加载器的代码

双亲委派模型的工作过程是:如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把这个请求委派给父类加载器去完成,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最顶层的启动类加载器中,只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需的类)时,子加载器才会尝试自己去完成加载

好处

  • Java中的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
  • 保证Java程序的稳定运作

双亲委派模型的实现:

java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中

先检查请求加载的类型是否已经被加载过,若没有则调用父加载器的 loadClass()方法,若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。假如父类加载器加载失败,抛出ClassNotFoundException异常的话,才调用自己的findClass()方法尝试进行加载。

3. 破坏双亲委派模型

双亲委派模型并不是一个具有强制性约束的模型,而是Java设计者推荐给开发者们的类加载器实现方式。

双亲委派模型的优点我总结得不太好,建议大家多看看其它优秀的博客

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