Java虚拟机(JVM)类加载机制

本文介绍Java虚拟机(JVM)的类加载机制,包括类加载的时机,类加载的过程(加载、验证、准备与初始化),以及类加载器与双亲委派模型的介绍。

 

类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,它的整个生命周期包括:加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接。

《Java虚拟机(JVM)类加载机制》

其中,加载、验证、准备、初始化和卸载这5个顺序是确定的,类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始,而接续阶段则不一样: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(也称为动态绑定或晚期绑定)。注:按部就班地开始,并不是进行或完成,通常这些阶段都是互相交叉地混合式进行的,通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段

对于初始化阶段,虚拟机规范严格规定了有且只有5中情况必须对类进行“初始化”(加载、验证、准备自然需要在此之前开始):

  1. 遇到new、getstatic、putstatic火invokestatic这4条字节码指令时,如果类没有进行初始化,则进行初始化。(在Java中场景则是:使用new关键字实例化、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字段除外)、以及调用一个类的静态方法)
  2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候
  3. 当初始化一个类的时候,如果发现其父类没有进行过初始化,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JDK1.7的动态语言支持时,如果一个java.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果是REFgetStatic、REFputStatic、REF_invokeStatic的方法句柄,并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。

注意,有且只有,这5种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。

通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化

通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化

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

 

类加载的过程

类加载的全过程,也就是加载、验证、准备、解析和初始化这5个阶段的所有具体动作。

1.加载

在加载阶段,虚拟机需要完成以下3件事情:

  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
  2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化成方法区的运行时数据结构
  3. 在内存中生成一个代表这个类的java.langClass对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口

第一步中没有指定该字节流需要从哪里获取、怎么样获取,许多举足轻重的Java技术都是建立在这一基础上的,例如:

  1. 从ZIP包中读取,这很常见,最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础
  2. 从网络中获取,这种场景最典型的应用就是Applet
  3. 运行时计算生成,这种场景使用的最多的就是动态代理技术,在java.lang.reflect.Proxy中,就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定的接口生成形式为“*$Proxy”的代理类二进制字节流
  4. 由其他文件生成,例如JSP,就是由JSP文件生成对应的Class类。
  5. 从数据库中获取,这种场景相对比较少点,例如有些中间件服务器(如SAP Netweaver)可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发

获取到二进制字节流后,就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中,方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义。然后再内存中实例化一个java.lang.Class类的对象(并没有明确规定是在Java堆中,对于HotSpot虚拟机而言,Class对象比较特殊,它虽然是对象,但是存在方法区里面

2.验证

验证是连接阶段的第一步,这一阶段的目的是为了确保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。

为什么需要验证?Java语言本身是相对安全的语言,使用纯粹的Java代码无法做到注入访问数组边界以外的数据、将一个对象转型为它并未实现的类型、跳转到不存在的代码行之类的事情,如果这样做了,编译器将拒绝编译。但是,正如加载过程中说明的,Class文件并不一样要求Java源码编译而来,可以使用任何途径产生,甚至包括用十六进制编辑器直接编写来产生Class文件。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害的字节流而导致系统崩溃。

从整体上看,验证阶段大致会完成下面4个阶段的校验工作:

①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处理,包括:

  1. 是否以魔数开头
  2. 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围
  3. 常量池的长两种是否有不被支持的常量类型(检查常量tag标志)
  4. 执行常量的各种索引值是否有执行不存在的常量或不符合类型的常量
  5. CONSTANTUtf8info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据
  6. Class文件中各个部分即文件奔上是否有被删除火附加的其他信息
  7. ….

②元数据验证

对字节码描述的信息进行语义分析,包括:

  1. 这个类是否有父类(出了java.lang.Object之外,所有的类都应该有父类)
  2. 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类(被final修饰的类)
  3. 如果这个类不是抽象类,是否实现了其父类火接口要求实现的所有方法
  4. 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾(例如覆盖了父类的final字段,或者出现了不符合规则的方法重载,例如方法参数都一致,但返回值类型却不同等)

③字节码验证

最复杂的一个阶段,主要目的是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。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后,这个阶段将对类的方法体进行校验分析,包括:

  1. 保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令码序列都能配合工作,例如不会出现类似这样的情况:在操作栈放置了一个int类型的数据,使用时却按long类型来加载入本地变量表中
  2. 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令
  3. 保证方法体中的类型转换的有效的

④符号引用验证

最后一个阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化成直接引用的时候,这个转化冻灾将在连接的第三阶段–解析中发生。包括:

  1. 符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类
  2. 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段
  3. 符号引用中的类、字段、方法的访问性是否可以被当前类访问。

对于虚拟机的加载机制来说,验证阶段是一个非常重要的,但不是一定必要的阶段(对程序运行期没有影响)。如果运行的全部代码都已经被反复使用和验证过,那么在实施阶段就可以考虑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

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

这时候进行内存分配的仅包括类变量(被static修饰的变量),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。

假设一个类变量定义为:

那么value在准备阶段过后的初始值是0而不是123,因为这个时候尚未开始执行任何Java方法。(将value赋值为123的putstatic指令时程序被编译后,存放于类构造器()方法之中的)

但是如果是常量(final static),则在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

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。

符号引用(Symbolic References):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的定位到目标即可。引用的目标并不一定已经加载到内存中。

直接引用(Direct References):直接饮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。

解析过程包括类或接口的解析、字段解析、类方法解析、接口方法解析。

5.初始化

类初始化是类加载过程的最后一步,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)。

初始化阶段是执行类构造器()方法的过程:

  1. ()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块(static{}块)中的语句合并产生的,顺序由在源文件中出现的顺序决定。
  2. ()方法与类的构造函数(或者说实例构造器()方法)不同,它不需要显示地调用弗雷构造器,虚拟机会保证在子类的()方法执行之前,弗雷的()方法已经执行完毕
  3. 由于父类()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
  4. ()方法对类或接口来说并不是必须的,如果没有静态语句块,也没有对变量的赋值操作,那么编译器可以不为这个类产生()方法
  5. 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,因此接口也有()方法。但是接口的()方法不需要先执行父接口的()方法,只有当父接口中定义的变量使用时,才会初始化。另外,接口的实现类在初始化时也不会执行接口的()方法
  6. 虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中倍正确的加锁、同步,如果多个线程同时去初始化一个类,那么只会有一个线程去执行这个类的()方法,其他线程都需要阻塞等待。

 

类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作,但是对于任意一个类,都需要由加载它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。如果来源同一个Class文件,被同一个虚拟机加载,但是如果类加载器不同,那么两个类就必定不相等。这里的相等,包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、inInstance()方法的返回结果,也包括使用instanceof关键字判断所属关系。

 

双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来讲,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),这个类加载器使用C++语言实现(只限于HotSpot),是虚拟机的一部分;另一种就是所有其他的类加载器,这些类加载器都由Java语言实现,独立于虚拟机外部,并且都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

从Java开发人员的角度来看,绝大部分Java程序都会使用到以下3种系统提供的类加载器:

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):负责将存放在\LIB目录中的,或者被-Xbootclasspath参数指定的路径中的,并且是被虚拟机识别的(如rt.jar)类库加载到虚拟机中。

扩展类加载器(Extension ClassLoader):这个加载器有sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,负责加载\lib\ext目录中的,或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库,开发者可以直接使用扩展类加载器。

应用程序类加载器(Application ClassLoader):这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。负责加载用户类路径(ClassPath)上所指定的类库。开发者可以直接使用这个类加载器,如果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。

类加载器双亲委派模型

《Java虚拟机(JVM)类加载机制》

双亲委派模型的工作过程为: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,每一个层次的加载器都是如此,因此所有的类加载请求都会传给顶层的启动类加载器,只有当父加载器反馈自己无法完成该加载请求(该加载器的搜索范围中没有找到对应的类)时,子加载器才会尝试自己去加载。

使用这种模型来组织类加载器之间的关系的好处是Java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。例如java.lang.Object类,无论哪个类加载器去加载该类,最终都是由启动类加载器进行加载,因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。否则的话,如果不使用该模型的话,如果用户自定义一个java.lang.Object类且存放在classpath中,那么系统中将会出现多个Object类,应用程序也会变得很混乱。如果我们自定义一个rt.jar中已有类的同名Java类,会发现JVM可以正常编译,但该类永远无法被加载运行(启动类加载器已经加载过rt.jar中所有的类,自己提供的类就不会被加载,除非自己定义一个类加载器)。

双亲委派模型一方面防止了内存中出现多份同样的字节码(如果不用这个模型,不同的加载器加载同一个class文件,会加载多次,这些类也不相等,第一部分在介绍相等判断方法时提及过),另一方面也保证了安全性,例如,防止黑客自己写一个String类,利用加载器加进内存,其他都一样,但是改了几个重要函数的内容,例如equals(),系统在用时以为这个String就是自己的String,就会产生问题。

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