深入理解Java虚拟机（4）—— 虚拟机类加载

迈不过友情╰ 2022-05-23 07:08 317阅读 0赞

# 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、准备、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。

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

![70][]    加载、验证、准备、初始化、卸载，这5个阶段顺序是确定的，但是解析阶段，他在某些情况可以在初始化之后再开始。

有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备需要在之前开始）：

1）遇到new、getstatic、putstatic、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。触发场景：使用new关键字，读取或设置一个类的静态字段，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，类没有被初始化需要对其初始化。

3）当初始化一个类时发现其父类还没有被初始化，则需要先触发其父类的初始化。

4）当虚拟机启动时，用户需要制定一个要执行的主类（main()方法的类），虚拟机会先初始化该类。

5）使用JDK1.7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\_gerStatic、                REF\_putStatic、REF\_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法的句柄对应的类没有被初始化。

# 类加载过程 #

##  ##

## 1.加载 ##

在加载阶段，虚拟机需要完成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符流。

2）将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区运行时数据结构。

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。

JVM没有指明二进制字节流从哪来获取，可以通过ZIP、网络、动态代理、其他文件、数据库等方式获取。

非数组的加载阶段，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完成，也可以由用户自定义的类加载去完成控制字符流的获取方式。

对于数组而言，数组类本身不通过类加载器创建，它有由ava虚拟机直接创建。数组类的元素类型最终是要靠类加载器去创建。创建过程遵守以下规则：

1）如果数组是组件类型（指的是数组去掉一个维度的类型）是引用类型，递归采用定义的加载过程去加载。

2）如果不是组件类型（例如int\[\]数组），java虚拟机会把数组C标记为与引导类加载器关联。

3）数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，如果组建类型不是引用类型，那数组可见性默认为public。

加载完成后，二进制字节流存储在方法区之中。然后内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，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。

加载阶段和连接阶段的部分内容（一部分字节码文件格式验证）是交叉进行的，加载阶段未完成，连接可能已经开始，但是在加载阶段之后的动作，仍然属于连接阶段的内容，两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

## 2.验证 ##

验证是连接的第一步，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，并且不会威胁虚拟机自身安全。

验证大致会完成下面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。

####     1）文件格式验证 ####

第一阶段要验证字节流是否符合Class文件的格式，并且能被当前版本的虚拟机处理，包括下面验证点：

**·** 是否以魔数0XCAFEBABY开头。

**·** 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。

**    **· 常量池的常量是否有不被支持的类型（坚持常量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活不符合类型的常量。

**    **· CONSTANT\_Utf8\_info型的常量中是否有不符合UTF-8编码的数据。

**    **· Class文件的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）元数据验证 ####

第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，保证其描述的信息符合Java语言规范，包括下面验证点：

**·** 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中要求实现的所有方法。

**    ·** 类中的字段、方法是否与父类冲突（覆盖父类final字段，重载方法）

####     3）字节码验证 ####

第三阶段是整个验证过程中最复杂的，通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法、符合逻辑的。

· 保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现类似：在操作栈防止了一个int类型的数据，      使用时却按照long类型加载。

· 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。

· 保证方法体中的类型转换时有效的，例如可以吧一个子类对象复制给父类数据类型。

一个类方法体的字节码没有通过字节码验证，那肯定有问题；如果通过了不代表一定是安全的。

为了避免过多的时间消耗在字节码验证阶段，在JDK1.6做了一项优化，给方法体的Code属性增加“StackMapTable”属性，这项属性描述了方法体中所有的基本块开始时本地变量表和操作栈应有的状态，在字节码验证期间，不需要根据程序去推导这些状态的合法性，只需检查StackMapTable属性中的记录是否合法即可。

理论上存在StackMapTable属性存在错误和被篡改的可能。

####  ####

####    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，这个转化将在连接的第三个阶段——解析阶段发生。符号引用验证可以看做是类对自身的信息进行匹配性校验。

· 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。

· 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。

· 符号一你用中的类、字段、方法的访问性是否可以被当前类访问。

符号引用的目的是确保解析动作正常执行，如果无法通过，将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类，如java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

对于类加载机制，验证阶段并不是一个非常重要、但不是一定必要的阶段。如果所运行的代码都已经反复使用和验证过，那么实施阶段可以考虑使用-Xverufy:none参数关闭类验证措施，缩短虚拟机加载时间。

## 3.准备 ##

准备阶段会给类变量分配内存并设置初始值，这些变量使用的内存都在方法区中进行分配。

类变量指的是使用static修饰的变量，不包括实例变量，实例对量会在对象实例化随对象分配在堆中。

当变量被final修饰后，会直接赋值。

## 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。在Class文件中以 CONSTANT\_Class\_info、CONSTANT \_ Fieldref\_info、CONSTANT\_Methodref\_info 等类型的常量出现。

· 符号引用：采用一组符号描述所引用的目标，符号可以使任何形式的自变量。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标不一定加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，因为符号引用的字面批形式明确定义在 Java  虚拟机规范的Class文件格式中。

· 直接引用：可以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 个符号引用在不同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。

虚拟机规范之中并未规定 解析阶段发生的具体时间， 只要求了在执行 anewarray、checkcast、getfield 、getstatic 、    instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、Ide、ldc\_w、                    multianewarray、new、putfield  和 putstatic 这 16 个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用 的符号引用进行解析。

除 invokedynamic 指令以外， 虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常摄池中记录直接引用，并把常量标 识为己解析状态）。如果一个符号引用之前已经被成功解析过，那么后续的引用解析请求就应当一直成功同样的，如果第—次解析失败了，那么其他 指令对这个符号的解析请求也应该收到相同的异常。

解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型 、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。

####     1.类或接口的解析 ####

假设当前代码所处类为D，如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的引用。需要3个步骤：

1）如果C不是一个数组类型，虚拟机会把代表N（符号引用）的全限定名传递给D的类加载器去加载类C。记载过程一旦出现任何异常视为解析失败。

注：加载过程中，由于元数据验证、字节码验证，可能触发其他类的加载，包括加载该类的父类及实现的接口。

2）如果C是一个数组类型，并且数组元素为对象，N的描述符会是类似“\[ Ljava/lang/Integer”的形式。将会按照1）中的方式加载数组元素类型。接着虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。

常量池 CONSTANT\_Class\_info 类型结构

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####     2.字段解析 ####

解析一个从未被解析过的字段符号引用，首先会对字段表内class\_index项中索引的CONSTANT\_Class\_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口引用解析，此过程失败，直接导致字段符号引用解析的失败。如果字段解析完成，将这个字段所属的类或者接口表示为C。

1）如果C中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。

2）否则，C中实现接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和父接口，如果某个接口包含了·····，返回结束。

3）否则，如果C不是java.lang.Object，将按照继承从下往上递归搜索父类，如果某个父类包含了·····，返回结束。

4）否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

常量池 CONSTANT\_Fieldref\_info 类型结构

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####      3.类方法解析 ####

首先解析出所属类的符号引用，解析成功，用C表示类。

1）类方法和接口方法的符号引用的常量类型是分开的，如果类方法中发现class\_index中的索引是个接口，抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。

2）通过第一步，在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，结束。

3）否则，在类C的父类中递归查找是否有·······，结束。

4）否则，类C的接口及父接口之中递归查找·····，如果存在，说明类C是抽象类，抛出java.lang.AbstractMethodError.

5）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。

最后会对方法进行权限验证，如果对该方法无访问权限，抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

常量池 CONSTANT\_Methodref\_info 类型结构

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####       4.接口方法解析 ####

接口方法解析基本与类方法解析一致，先解析所属接口的符号引用，判断方法如果为类抛出 java.     lang.IncompatibleClassChangeError异常，接着查找当前接口和父接口，如果查到简单名称和描述符相符，返回直接引用，        查找结束。否则宣告失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。

常量池 CONSTANT\_interfaceMethodref\_info类型结构

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## 5.初始化 ##

类初始化时类加载过程的最后一步，在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，初始化阶段是执行类构造器的 <clinit>() 方法的过程。

1）<clinit>()方法由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态代码块 合并产生的。收集顺序由语句的顺序决定。           静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义之后的变量，可以赋值，但是不能访问。

2）<clinit>()方法与构造器不同，不需要显示的调用父类构造器，虚拟机会保证子类的<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()已经执行完毕，因此第一个执行的是java.lang.Object的<clinit>()。

3）由于父类的<clinit>()方法先执行，以为父类中的静态语句优先于子类的变量赋值操作，

4）<clinit>()不是必须的，如果一个类没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法。

5）接口中不能使用静态代码块，当仍然有变量初始化的赋值操作，接口也会生成<clinit>()方法。不同的是，接口不需要先去执行父类的<clinit>()方法，只有父接口定义的变量被使用时才会调用<clinit>()方法。

6）虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境被正确的加锁、同步，如果多线程同时初始化一个类，只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他类阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，可能造成多个进程阻塞。

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