深入理解Java虚拟机-虚拟机类加载机制(四)

本是古典何须时尚 2022-06-03 05:17 261阅读 0赞

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。

在java语言中，类型的加载、连接、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稍微增加一些性能开销，但是为java应用程序提供了高度的灵活性，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链接这个特点实现的。

如果编写一个面向接口的应用程序，可以等到运行时在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已广泛应用于java程序中。

下文提到的class文件，并非特指某个存在于具体磁盘中的文件，而是一串二进制的字节流，无论以何种形式存在都可以。

7.2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，卸载7个阶段。其中验证、准备、解析3个阶段统称为连接。

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除了接卸阶段，其他阶段的顺序都是确定的，解析阶段可能在初始化阶段之后开始，这是为了支持java语言的运行时绑定（动态绑定、晚期绑定）。

虚拟机规范规定了有且只有5中情况必须立即对类进行“初始化”：

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，需要先触发器初始化。常见场景：用new关键字实例化对象，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），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，如果类没有初始化，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初始化，需要先触发器父类的初始化。

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

5） 使用jdk1.7的动态语言支持时，如果java.lang.invoke.MethodHandle实例最后解析结果REF\_getStatic，REF\_putstatic，REF\_invokestatic方法句柄，且这个方法句柄所对应的类没有初始化，需要出发其初始化。

上面5中场景都是对一个类的主动引用，除此之外引用类的方式都是被动引用。

可以通过参数-XX:+TraceClassLoading观察类的加载。

被动引用例子：

VM args：-XX:+TraceClassLoading
    NotInitialization.java
    class SuperClassNotInit{
    	static{
    		System.out.println("SuperClass init");
    	}
    	
    	static int value =123;
    }
    
    class SubClassNotInit extends SuperClassNotInit{
    	static{
    		System.out.println("SubClass init");
    	}
    }
    
    public class NotInitialization {
    	public NotInitialization() {
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    //子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。
    		System.out.println(SubClassNotInit.value);
    	}
    }

运行结果：

\[Loaded SuperClassNotInit from file:/D:/workspace/JavaVM-NotInitialization/bin/\]

\[Loaded SubClassNotInit fromfile:/D:/workspace/JavaVM-NotInitialization/bin/\]

SuperClass init

123

只输出了SuperClass init，不会输出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。但是触发了子类的加载。

被动引用的例子（复用上面例子的代码）：

public class NotInitialization {
    	public NotInitialization() {
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    //通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化。
    		SuperClassNotInit[] sca = new SuperClassNotInit[10];
    	}
    }

运行结果：

\[Loaded java.lang.Class$MethodArrayfrom C:\\Program Files\\Java\\jre1.8.0\_151\\lib\\rt.jar\]

\[Loaded java.lang.Void fromC:\\Program Files\\Java\\jre1.8.0\_151\\lib\\rt.jar\]

\[Loaded SuperClassNotInit fromfile:/D:/workspace/JavaVM-NotInitialization/bin/\]

没有输出SuperClass init，

被动引用例子：

NotInitialization.java

class SuperClassNotInit{
    	static{
    		System.out.println("SuperClass init");
    	}
    	static final String NOTINIT="constant define!";
    }
    
    public class NotInitialization {
    	public static void main(String[] args) {
    		System.out.println(SuperClassNotInit.NOTINIT);
    	}
    }

运行结果：

\[Loaded NotInitialization fromfile:/D:/workspace/JavaVM-NotInitialization/bin/\]

constant define!

没有输出SuperClass init，虽然引用了SuperClassNotInit类的常量***NOTINIT，但在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值***"constant define!"存储到了NotInitialization类的常量池中，以后NotInitialization对常量SuperClassNotInit.***NOTINIT***的引用实际都转化为NotInitialization类对自身常量池的引用。实际上NotInitialization的class文件之中并没有SuperClassNotInit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。

7.3 类加载的过程

7.3.1加载

加载是类加载（Class Loading）过程的一个阶段，在加载阶段，虚拟机完成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，作为方法区中这个类的各种数据的访问入口。

7.3.2 验证

验证是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，且不会危害虚拟机自身的安全。

Java语言本身是相对安全的语言，但是class文件不一定是用java源码编译而来，所以验证是虚拟机对自身保护的一项重要工作。验证阶段大致完成4个阶段的工作：

1） 文件格式验证，验证字节流是否符合Class文件格式的规范。验证的目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。

2） 元数据验证，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语言规范的要求，如父类是否继承了不允许被继承的类。

3） 字节码验证，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:如保证方法体中的类型转换是有效的。

4） 符号引用验证，可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验，如：通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。如果无法通过符号引用验证，那么将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类，如java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

7.3.3 准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区进行分配。这个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到java堆。

7.3.4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，只要能无歧义地定位到目标即可。

直接引用（Direct References），可以直接指向目标的指针、相对偏移量、一个能间接定位到目标的句柄。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、ldc、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。

1， 类或接口的解析 ，假设当前代码所处的类为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的直接引用，那虚拟机完成整个解析的过程需要以下3个步骤：

1） 如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。

2） 如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类似“\[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。

3） 如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

2，字段解析 , 要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内class\_index\[2\]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的符号引用。如果在解析这个类或接口符号引用的过程中出现了任何异常，都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功完成，那将这个字段所属的类或接口用C表示，虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索。

1） 如果C本身就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，如果在C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，如果接口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。

3） 否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类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。

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

3，类方法解析 ，类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也需要先解析出类方法表的class\_index\[3\]项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，我们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的类方法搜索。

1） 类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class\_index中索引的C是个接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。

2） 如果通过了第1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，查找结束。

3） 否则，在类C的父类中递归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，查找结束。

4） 否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，这时查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

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

4，接口方法解析，接口方法也需要先解析出接口方法表的class\_index\[4\]项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，依然用C表示这个接口，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索。

1） 与类方法解析不同，如果在接口方法表中发现class\_index中的索引C是个类而不是接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。

2） 否则，在接口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，查找结束。

3）否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类（查找范围会包括Object类）为止，看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，查找结束。

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

7.3.5 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）。

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，如代码清单7-5中的例子所示。

static{
    		i = 100;//给变量赋值，OK
    		System.out.println("access the static field ,i="+i);//can not reference a field before it is defined.
    	}
    	static int i =0;

＜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。

由于父类的＜clinit＞（）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。

＜clinit＞（）方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成＜clinit＞（）方法。

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，因此接口与类一样都会生成＜clinit＞（）方法。但接口与类不同的是，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。如果在一个类的＜clinit＞（）方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞。

其他线程虽然会被阻塞，但如果执行＜clinit＞（）方法的那条线程退出＜clinit＞（）方法后，其他线程唤醒之后不会再次进入＜clinit＞（）方法。同一个类加载器下，一个类型只会初始化一次。

public class DeadLoopClass {
    
    	static class ClinitDemo{
    		static{
    			int index =0;
    			if(true){
    				System.out.println(Thread.currentThread()+"init DeadLoopClass");
    				while(true){
    					//模拟耗时操作。
    					index++;
    				}
    			}
    		}
    	}
    	
    	public static void main(String[] args) {
    		Runnable script = new Runnable(){
    			public void run(){
    				System.out.println(Thread.currentThread()+"start-");
    				ClinitDemo dlc = new ClinitDemo();
    				System.out.println(Thread.currentThread()+"run over");
    			}
    		};
    		Thread thread1 = new Thread(script);
    		Thread thread2 = new Thread(script);
    		thread1.start();
    		thread2.start();
    	}
    }

运行结果（另外一条线程被阻塞了）：

Thread\[Thread-0,5,main\]start-

Thread\[Thread-0,5,main\]initDeadLoopClass

Thread\[Thread-1,5,main\]start-

把while的循环退出条件改为index <10000000后，正常的运行结果：

Thread\[Thread-0,5,main\]start-

Thread\[Thread-1,5,main\]start-

Thread\[Thread-0,5,main\]initDeadLoopClass

Thread\[Thread-0,5,main\]run over

Thread\[Thread-1,5,main\]run over

7.4 类加载器

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”的操作，是在虚拟机外部来实现的，方便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成为“来加载器”。

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，每个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。就是说：如果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，别同一个虚拟机加载，只是加载他们的类加载器不同，那这两个类就必定不等。

public class ClassLoaderTest {
    	public ClassLoaderTest() {
    	}
    
    	//加载与自己在同一路径下的Class文件。
    	private static class ClassLoaderDemo extends 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);
    			}
    		}
    	}
    	
    	public static void main(String[] args) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
    		Object obj = new ClassLoaderDemo().loadClass("ClassLoaderTest").newInstance();
    		System.out.println(obj.getClass());
    		System.out.println(obj instanceof ClassLoaderTest);
    	}
    }

运行结果：

class ClassLoaderTest

false

做ClassLoaderTest所属类型检查时返回false，因为虚拟机中存在了两个ClassLoaderTest类，一个是有系统应用程序类加载器加载的，另一个是有我们自定义的类加载器加载的，虽然都来自同一个Class文件，但依然是两个独立的类。

7.4.1 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（BootstrapClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现，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。

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）：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，如java.lang.ClassLoader.getClassLoader（）。

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。

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。

![Center 1][]

双亲委派模型的工作过程是：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。

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。

即使自定义了自己的类加载器，强行用defineClass（）方法去加载一个以“java.lang”开头的类也不会成功。如果尝试这样做的话，将会收到一个由虚拟机自己抛出的“java.lang.SecurityException：Prohibited package name：java.lang”异常。

实现双亲委派的代码集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中。

libcore/ojluni/src/main/java/java/lang/ClassLoader.java

protected synchronized Class＜?＞loadClass（String name,boolean resolve）throws ClassNotFoundException
    {/
    /首先，检查请求的类是否已经被加载过了
    Class c=findLoadedClass（name）；
    if（c==null）{
    try{
    if（parent！=null）{
    c=parent.loadClass（name,false）；
    }else{
    c=findBootstrapClassOrNull（name）；
    }}
    catch（ClassNotFoundException e）{
    //如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
    //说明父类加载器无法完成加载请求
    }i
    f（c==null）{
    //在父类加载器无法加载的时候
    //再调用本身的findClass方法来进行类加载
    c=findClass（name）；
    }}i
    f（resolve）{
    resolveClass（c）；
    }r
    eturn c；
    }

代码逻辑：

step１，首先检查是否已经加载过目标对象，即findLoadedClass();

step2,如果上一步没有找到目标类，那么接下来优先调用它的父加载器提供的loadClass()。如果没有父加载器，则使用启动类加载器。

step3,如果仍然没有加载成功，则使用自身的加载器功能，即findClass（）。

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