Java虚拟机-类加载机制

悠悠 2021-10-15 18:39 348阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  1. 概述
 *  2. 类加载的时机
 *  3. 类加载的过程
 *   *  3.1 加载
     *  3.2 验证
     *  3.3 准备
     *  3.4 解析
 *  4. 类加载器
 *  5. 小结

**本博客为阅读《深入理解Java虚拟机》第七章整理所得**

# 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。

与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同，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，这种策略虽然会令类加载时稍微增加一些性能开销，但是会为Java应用程序提供高度的灵活性，Java里天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。例如，如果编写一个面向接口的应用程序，可以等到运行时再指定其实际的实现类；用户可以通过Java预定义的和自定义类加载器，让一个本地的应用程序可以在运行时从网络或其他地方加载一个二进制流作为程序代码的一部分，这种组装应用程序的方式目前已广泛应用于Java程序之中。从最基础的Applet、JSP到相对复杂的OSGi技术，都使用了Java语言运行期类加载的特性。

# 2. 类加载的时机 #

类从被加载到虚拟机内存开始，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），这7个阶段的发生顺序如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI0MDk1MDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
上图中，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的开始，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）。注意，这里说的是按部就班的“开始”，而不是按部就班的“进行”或“完成”，强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉的混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段：加载？Java虚拟机规范中并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，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、已在编译器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JDK1.7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。

java虚拟机规范中规定有且只有这5种会触发类进行初始化的场景，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。

下面是三个被动引用的例子：  
被动引用例子一：通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化

package com.herobin.jvm;
    /** * 被动使用类字段演示一： * 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化 */
    public class SuperClass { 
    
        static { 
            System.out.println("SuperClass init!");
        }
    
        public static int value=123;
    
    }
    
    public class SubClass extends SuperClass{ 
        static { 
            System.out.println("SubClass init!");
        }
    }
    
    /** * 非主动使用类字段演示 */
    public class NotInitialization { 
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println(SubClass.value);
        }
    }

执行结果：

SuperClass init!
    123

上述代码运行后，只输出了“SuperClass init！”，而没有输出“SubClass init！”。对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因为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。

被动引用例子二：通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化

/** * 被动使用类字段演示二： * 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化 */
    public class NotInitialization { 
        public static void main(String[] args) { 
            SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
        }
    }

执行结果：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI0MDk1MDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
这段代码复用了例子一中的SuperClass，运行之后发现没有输出“SuperClass Init!“，说明并没有触发类com.blog.test.jvm.SuperClass的初始化阶段。但是这段代码里面触发了另外一个名为“［Lcom.blog.test.jvm.SuperClass］“的类的初始化阶段，对于用户来说，这并不是一个合法的类名称，它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承于java.lang.Object的子类，创建动作由字节码指令newarray触发。

这个类代表了一个元素类型为com.blog.test.jvm.SuperClass的唯一数组，数组中应有的属性和方法（用户可直接使用的只有被修饰为public的lenth属性和clone()方法)都实现在这个类里。java 语言中对数组的访问比C/C++相对安全是因为这个类封装了数组元素的访问方法，而C/C++直接翻译为对数组指针的移动。在java语言中，当检查到发生数组越界时会抛出java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常。

被动引用例子三：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。

public class ConstClass { 
    
        static { 
            System.out.println("ConstClass init!");
        }
    
        public static final String HELLOWWORLD="hello world";  
    }
    
    public class NotInitialization { 
        //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
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println(ConstClass.HELLOWWORLD);
        }
    ｝

执行结果：

hello world
    
    Process finished with exit code 0

从运行结果没输出“ConstClass init!“，这是因为虽然在java 源码中引用了ConstClass泪中的常量HELLOWORLD，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值“hello world“存储到了NotInitialization类的常量池中，以后NotInitialization对常量ConstClass.HELLOWWORLD的引用时机都被转化为NotInitialization类对自身常量池的引用了。也就是说，实际上NotInitialization的Class文件之中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译成class之后就不存在任何联系了。

接口的加载过程和类加载过程稍有一些不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口也有初始化过程，这点与类是一致的，上面的代码都是用静态代码块“static｛｝“来输出初始化信息的，而接口中不能使用“static｛｝“语句块，但编译器仍然会为接口生成“clinit()“类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类真正有所区别的是：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，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 #

接下来我们详细讲解一下Java虚拟机中类加载的全过程，也就是加载、验证、准备、解析和初始化这5个阶段所执行的具体动作。

## 3.1 加载 ##

“加载”是“类加载”（Class Loading）过程的一个阶段，希望读者没有混淆这两个看起来很相似的名词。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为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.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

相对于类加载过程的其他阶段，一个非数组类的加载阶段（准确的说，是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作）是开发人员可控性最强的，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员可以通过自定义自己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）。

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虚拟机直接创建的。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最终是要靠类加载器去创建，一个数组类创建过程遵循以下规则：

*  如果数组的组件类型是引用类型，那就递归采用本节定义的加载过程去加载这个组件类型，数组类将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识（类加载器中会介绍，一个类必须与类加载器一起确定唯一性）。
 *  如果数组的组件类型不是引用类型（例如int\[\]数组），Java虚拟机将会把数组类标记为与引导类加载器关联。
 *  数组类的可见性与它的组件类型的可见性一直，如果组件类型不是引用类型，那数组类的可见性将默认为public。

加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流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，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个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，但是存放在方法区里面），这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。

加载阶段与连接阶段的部分内容（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

## 3.2 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。

## 3.3 准备 ##

## 3.4 解析 ##

*  符号引用：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号引用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。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。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是他们能接受的符号引用必须是一致的，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：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，同一个符号引用再不用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内存中存在。

# 4. 类加载器 #

# 5. 小结 #

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