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深入理解Java虚拟机：虚拟机类加载机制

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  • 7.1 概述
  • 7.2 类加载的时机
    • 类的生命周期
    • 5种情况需要“初始化”
  • 7.3 类加载的过程
    • 1.加载（Loading）
    • 2.链接（Linking）
      • 2.1.验证（Verify）
      • 2.2.准备（Prepare）
      • 2.3.解析（Resolve）
    • 3.初始化（Initialization）
  • 7.4 类加载器
    • 类与类加载器
    • 双亲委派模型
      • 1.分类
      • 2.层次关系
      • 3.工作过程
      • 4.好处明显
      • 5.实现简单

7.1 概述

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，这就是虚拟机的 类加载机制 。

类是在 运行期间 第一次使用时动态加载的，而不是编译时期一次性加载。

7.2 类加载的时机

类的生命周期

类的生命周期：

  1. 加载
  2. 验证
  3. 准备
  4. 解析
  5. 初始化
  6. 使用
  7. 卸载

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，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（也称为动态绑定或晚期绑定）。

5种情况需要“初始化”

对于初始化阶段，虚拟机规范则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）：

  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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为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。

以下几种常见的情况，不会触发初始化：

  • 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。该过程会对数组类进行初始化，数组类是一个由虚拟机自动生成的、直接继承自Object的子类，其中包含了数组的属性和方法。
  • 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。

7.3 类加载的过程

包含了加载、链接（验证、准备、解析）、初始化这 3 个阶段。

1.加载（Loading）

完成以下3件事：

  • 通过一个类的全限定名来获取定义此类的 二进制字节流 。
  • 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。
  • 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。

其中 二进制字节流 可以从以下方式中获取：

  • 从本地系统中直接加载。
  • 从 ZIP 包读取，成为 JAR、EAR、WAR 格式的基础。
  • 从网络中获取，最典型的应用是 Applet。
  • 运行时计算生成，例如动态代理技术，在 java.lang.reflect.Proxy 使用 ProxyGenerator.generateProxyClass 的代理类的二进制字节流。
  • 由其他文件生成，例如由 JSP 文件生成对应的 Class 类。
  • 从数据库中获取，这种场景相对少见。

    ......

2.链接（Linking）

2.1.验证（Verify）

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。

注：使用jclasslib 可以查看Class文件 （CAFEBABE）

验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检验动作：

  1. 文件格式验证
  2. 元数据验证
  3. 字节码验证
  4. 符号引用验证

2.2.准备（Prepare）

准备阶段是正式为 类变量 （被static修饰的变量）分配内存，并设置类变量 初始值 （“通常情况”下是数据类型的零值）的阶段，这些变量所使用的内存都将在 方法区 中进行分配。

注： 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。

2.3.解析（Resolve）

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：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（明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中）。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已经加载到内存中。
  • 直接引用（Direct References）：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。直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的，如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

3.初始化（Initialization）

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< clinit >()方法的过程。

  • < 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 。 
public class Test{

  static{

    i=0; //给变量赋值可以正常编译通过

    System.out.print(i); //这句编译器会提示"非法向前引用"

  }

  static int i=1;

}
  • < 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。
  • 父类的< clinit >()方法先执行，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。 
static class Parent{

  public static int A=1;

  static{

    A=2;

  }

}

static class Sub extends Parent{

  public static int B=A;

}

public static void main(String[] args){

  System.out.println(Sub.B); //2

}
  • < clinit >()方法对于类或接口不是必须的，如果一个类中不包含静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，编译器可以不为该类生成< clinit >()方法。
  • 接口中不可以使用静态语句块，但仍然有类变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成< clinit >()方法。但与类不同的是，执行接口的< clinit >()方法不需要先执行父接口的< clinit >()方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的< clinit >()方法。
  • 虚拟机会保证一个类的< clinit >()方法在多线程环境下被正确的加锁和同步，如果多个线程同时初始化一个类，只会有一个线程执行这个类的< clinit >()方法，其它线程都会阻塞等待，直到活动线程执行< clinit >()方法完毕。如果在一个类的< clinit >()方法中有耗时的操作，就可能造成多个线程阻塞，在实际过程中此种阻塞很隐蔽。

7.4 类加载器

类与类加载器

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。

比较两个类是否”相等“，只有在这2个类是由同一个类加载器的前提下才有意义。这里的“相等”，包括类的 Class 对象的 equals() 方法、isAssignableFrom() 方法、isInstance() 方法的返回结果为 true，也包括使用 instanceof 关键字做对象所属关系判定结果为 true。

双亲委派模型

1.分类

从 Java 虚拟机的角度来讲，只存在以下两种不同的类加载器：

  • 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器用 C++ 实现，是虚拟机自身的一部分；
  • 所有其他类的加载器，这些类由 Java 实现，独立于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。

从 Java 开发人员的角度看，类加载器可以分为3类：

  • 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：此类加载器负责将存放在 <JRE_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启动类加载器，直接使用 null 代替即可。
  • 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个类加载器是由 ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）实现的。它负责将 <JAVA_HOME>/lib/ext 或者被 java.ext.dir 系统变量所指定路径中的所有类库加载到内存中，开发者可以直接使用扩展类加载器。
  • 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器是由 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）实现的。由于这个类加载器是 ClassLoader 中的 getSystemClassLoader() 方法的返回值，因此一般称为 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。

应用程序都是由以上3种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，还可以加入

自己定义的类加载器。

2.层次关系

下图展示的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，JDK1.2之后才被引入）。该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。

3.工作过程

一个类加载器首先把类加载请求委派给父类加载器去完成，只有当父加载器无法完成时，子加载器才会尝试自己去加载。

4.好处明显

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。例如无论哪一个类加载器要加载Object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。

5.实现简单

实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中。先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父加载器的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。如果父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载。

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