JVM - 虚拟机类加载机制

1. 概述

虚拟机把描述类的数据从 Class 文件中加载到内存,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,这就是虚拟机的类加载机制。

  1. 以下描述的 “Class文件” 指的是一串二进制字节流,无论以任何形式存在都可以。

2. 类加载的时机

  1. 从加载到卸载出内存,生命周期包括:加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparing)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用、卸载(Unloading)。 其中,验证、准备和解析统称为连接(Linking)。 类的生命周期如下图所示:

类的生命周期

  1. 加载、验证、准备、初始化和卸载的顺序都是固定的,解析过程在某些情况下可以在初始化过程之后再开始,为了支持 Java 语言的运行时绑定(也成为动态绑定或晚期绑定)。
  2. 什么情况下需要开始类的加载,在虚拟机规范中并没有明确指出,交由虚拟机的具体实现来自由把握。但对于初始化阶段,虚拟机规范中严格规定了 有且只有 5中情况必须立即对类进行“初始化”,当然,加载,验证和准备在这之前就肯定已经完成了。
  • 遇到 new, getstatic, putstatic, invokestatic 这4条字节码指令时,如果类没有初始化,则需要先触发其初始化。使用 new 关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段(被 final 修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态变量除外)、以及调用一个类的静态方法的时候会生成这4条指令。
  • 使用 java.lang.reflect 的方法对类进行反射调用的时候。
  • 当初始化一个类的时候,如果发现其父类还没有进行初始化,需要先出发父类的初始化。
  • 当虚拟机启动时,用户需要先指定一个要执行的类(包含 main() 方法的那个类),虚拟机会先初始化这个主类。
  • 当使用 JDK 1.7 的动态语言支持时;
  1. 上述5中场景中的行为称为对一个类进行主动引用,除此之外,所有引用类的方式都不会触发初始化,称为 “被动引用”
  2. 被动引用的例子
    1. 通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化;
    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,本质上并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。
  3. 接口与类初始化的区别:
    • 当一个类初始化的时候,要求他的父类一定已经初始化过,但对接口而言,并不要求其父接口全部都完成了初始化,只有在真正使用到父接口的时候(如引用接口中定义的常量)才会初始化。

3. 类加载的过程

3.1 加载

  1. 在加载阶段,虚拟机需要完成三件事情:
    1. 通过一个类的全限定名来获取此类的二进制字节流;
    2. 将这个二进制字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构;
    3. 在内存中生成一个代表该类的 java.lang.Class 对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口。
  2. 开发人员可以通过自定义的类加载器去控制字节流的获取方式(即重写一个类加载器的 loadClass() 方法)。
  3. 数组类本身不通过类加载器创建,但数组的元素类型要考类加载器创建。
  4. 加载与连接阶段的部分内容是交叉进行的,但阶段的开始顺序保持固定。
  5. “加载”是“类加载”过程的一部分。

3.2 验证

确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求,并且不会危害虚拟机自身的安全。

  • 分为四个阶段的检验
    • 文件格式验证: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理解。只有通过该阶段的验证后,字节流才会进入内存的方法区中进行存储。
    • 元数据验证: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。
    • 字节码验证: 最复杂,通过数据流和控制流分析,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事件。
    • 符号引用验证:解析阶段发生,为了确保解析动作能正常执行,如果无法通过符号引用验证,那么将会抛出一个 java.lang.IncompatibleClassChangeError 异常的子类。
  • 验证阶段重要但不一定必要(因为对程序运行期没有影响)。
  • 若所运行的代码已经被反复使用和验证过,那么在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。

3.3 准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段,这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

  • 内存分配的仅仅是类变量(静态的,被 static 修饰的变量),不包含实例变量。
  • 初始值“通常情况”下指的是数据类型的零值
public static int value = 123;
// value 在准备阶段过后的初始值为0,而不是123,因为这个时候尚未执行任何 java 方法,而把 value // 赋值为 123 的 putstatic 命令是程序被编译后,存放于类构造器<clinit>()方法之中,所以把value // 赋值为123的动作将在 初始化阶段 才会执行。
  1. 基本数据类型的零值表:
数据类型 零值 数据类型 零值
int 0 boolean false
long 0L float 0.0f
short (short)0 double 0.0d
char ‘\u0000’ reference null
byte (byte)0
  1. 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 value 就会被初始化为 Constantvalue 属性所指的值。(被 final 修饰的字段)
public static final int value = 123;
// 准备阶段虚拟机就会根据 ConstantValue 的设置将 value 赋值为123

3.4 解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

  1. **符号引用:**用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;
  2. 直接引用: 直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。如果有了直接引用,那么引用的目标必定已经存在于内存中。
  3. 虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存(在运行时常量池中记录直接引用,并把常量标识为已解析状态)从而避免解析动作重复进行
  4. 类或接口的解析
  5. 字段的解析
  6. 类方法解析
  7. 接口方法解析

3.5 初始化

到了初始化阶段,才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码(或者说是字节码)


4. 类加载器

4.1 类与类加载器

  1. 对任意一个类,都需要由加载他的类加载器和这个类本身一同确立其在 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空间。
  2. ——等同于——> 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,即使这两个类来源同一个 Class 文件,被同一个虚拟机加载,只要加载他们的类加载器不同,这两个类就必定不相等。

4.2 双亲委派模型

  1. 从 Java 虚拟机角度而言,只存在两种类加载器:
    1. 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader): 使用 C++ 实现。是虚拟机自身的一部分。
    2. 其他类加载器: 由 Java 语言实现,独立于虚拟机外部,且全都继承自抽象类 java.lang.ClassLoader
  2. 程序员角度:
    1. 启动类加载器
    2. 扩展类加载器
    3. 应用程序类加载器或系统类加载器
  3. 类加载器双亲委派模型

双亲委派模型

  1. 双亲委派的过程:
    1. 来加载器收到类加载的请求,自己不去尝试加载;
    2. 将请求委派给父类加载器去完成
    3. 每一个层次的类加载器都如此
    4. 所有的加载请求最终都应该传送到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时,子加载器才会尝试自己去加载。
  2. 好处:
    1. Java 类随着他的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。
    2. 保证 Java 程序的稳定运作

4.3 破坏双亲委派模型

5. 总结

介绍了类加载过程的“加载”,“验证”,“准备”,“解析”和“初始化”5个阶段虚拟机进行了哪些动作,还介绍了类加载器的工作原理及其对虚拟机的意义。

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