深入理解Java虚拟机 | 第五篇:虚拟机类加载机制

 2019-12-22 10:48  阅读(506)
文章分类:JVM

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(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接(Linking)。

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一:立即对类进行初始化的条件

虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”(而加载、验证、准备自然需要在此之前开始):
1)遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时,如果类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是: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字段除外)的时候,以及调用一个类的静态方法的时候。
2)使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候,如果类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。
3)当初始化一个类的时候,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 1.7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REF_getStatic、REF_putStatic、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。

二:类加载的过程

1、加载:“加载”是“类加载”(Class Loading)过程的一个阶段
1.1、通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
1.2、将这个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。
1.3、在内存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。

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。验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检验动作:文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。
2.1、文件格式验证
是否以魔数0xCAFEBABE开头。主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。常量池的常量中是否有不被支持的常量类型(检查常量tag标志)。指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量。CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。
2.2、元数据验证
这个类是否有父类(除了java.lang.Object之外,所有的类都应当有父类)。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)。如果这个类不是抽象类,是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法。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)。
2.3、字节码验证:第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段,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,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。
2.4、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。

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。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下,首先,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。其次,这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。假设一个类变量的定义如下:

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,因为这时候尚未开始执行任何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<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。但是假如按如下方式定义:

public static final int value=123;

由于现在类的变量值变成了一个常量,那么虚拟机在准备的时候就会给这个值赋值为123。

4.解析:

4.1、类或接口的解析

4.2、字段解析

4.3、类方法解析

4.4、接口方法解析

5.初始化:类初始化阶段是类加载过程的最后一步,前面的类加载过程中,除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外,其余动作完全由虚拟机主导和控制。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)。在准备阶段,变量已经赋过一次系统要求的初始值,而在初始化阶段,则根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源,或者可以从另外一个角度来表达:初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

5.1、<clinit>()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,编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的,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。

5.2、<clinit>()方法与类的构造函数(或者说实例构造器<init>()方法)不同,它不需要显式地调用父类构造器,虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前,父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。

5.3、虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁、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<clinit>()方法,其他线程都需要阻塞等待,直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。

三:类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”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要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

类加载器虽然只用于实现类的加载动作,但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。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,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。

这里所指的“相等”,包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果,也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。如果没有注意到类加载器的影响,在某些情况下可能会产生具有迷惑性的结果,看下面代码的返回结果,我们就会发现如此。

/**
     * @author 2018年7月6日12:02:41
     * 测试不同的ClassLoader加载对象
     */
    public class ClassLoaderTest {

        public static void main(String[] args) throws Exception {

            ClassLoader myLoader = new ClassLoader(){
                @Override
                public Class<?> loadClass (String name) throws ClassNotFoundException {
                    try {
                        String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".")+1)+".class";
                        InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                        if(is == null){
                            return super.loadClass(name);
                        }
                        byte[] b = new byte[is.available()];
                        is.read(b);
                        return defineClass(name, b,0,b.length);
                    } catch(IOException e){
                        throw new ClassNotFoundException(name);
                    }
                }
            };
            Object obj = myLoader.loadClass("com.segmentfault.springbootlesson1.pratice.ClassLoaderTest").newInstance();
            System.out.println(obj.getClass());
            System.out.println(obj instanceof com.segmentfault.springbootlesson1.pratice.ClassLoaderTest);
        }
    }

打印的结果如下:

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四:类加载器类型

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 [1] ,是虚拟机自身的一部分;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,并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

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从Java开发人员的角度来看,类加载器还可以划分得更细致一些,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。

1.1、启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):前面已经介绍过,这个类将器负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中的,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的,并且是虚拟机识别的(仅按照文件名识别,如rt.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用,用户在编写自定义类加载器时,如果需要把加载请求委派给引导类加载器,那直接使用null代替即可
1.2、扩展类加载器(Extension ClassLoader):这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,它负责加载<JAVA_HOME>\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。

1.3、应用程序类加载器(Application ClassLoader):这个类加载器由sun.misc.Launcher $App-ClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值,所以一般也称它为系统类加载器。它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。

五:双亲委派模型

类加载器之间的这种层次关系,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当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承(Inheritance)的关系来实现,而是都使用组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。

工作过程: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加载。

双亲委派模型的好处:使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系,有一个显而易见的好处就是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。例如类java.lang.Object,它存放在rt.jar之中,无论哪一个类加载器要加载这个类,最终都是委派给处于模型最顶端的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。相反,如果没有
使用双亲委派模型,由各个类加载器自行去加载的话,如果用户自己编写了一个称为java.lang.Object的类,并放在程序的ClassPath中,那系统中将会出现多个不同的Object类,Java类型体系中最基础的行为也就无法保证,应用程序也将会变得一片混乱。

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