JVM学习（五）虚拟机类加载机制

淡淡的烟草味﹌ 2022-11-19 01:27 129阅读 0赞

## 虚拟机类加载机制 ##

### 文章目录 ###

*   *  虚拟机类加载机制
     *   *  概述
         *  类加载的时机
         *   *  主动引用
             *  被动引用
         *  类加载的过程
         *   *  加载
             *  验证
             *  准备
             *  解析
             *  初始化
         *  类加载器
         *   *  类与类加载器
             *  双亲委派模型

### 概述 ###

Java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，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。与那些在编译时需要进行连接的语言不同，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，这种策略让Java语言进行提前编译会面临额外的困难，也会让类加载时稍微增加一些性能开销，但是却为Java应用提供了极高的扩展性和灵活性，Java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。

### 类加载的时机 ###

一个类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分被统称为连接（Linking）。这七个阶段的发生顺序如下图所示

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDM2ODQzNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

上图中，加载、验证、准备、初始化和卸载这五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语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）。

#### 主动引用 ####

《Java虚拟机规范》严格规定了有且只有六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`这四条字节码指令时，如果类型没有进行过出初始化，则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型Java代码场景有：
    
     *  使用new关键字实例化对象的时候
     *  读取或设置一个类型的静态字段（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
     *  调用一个类型的静态方法的时候
2.  使用`java.lang.reflect`包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化
3.  当初始化类的时候，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JDK7新加入的动态语言支持时，如果一个`java.lang.invoke.MethodHandle`实例最后的解析结果为`REF_getStatic`、`REF_putStatic`、`REF_invokeStatic`、`REF_newInvokeSpecial`四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
6.  当一个接口中定义了JDK8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其初始化前被初始化

这六种场景中的行为被称为对一个类型进行主动引用。除此之外，所有引用类型的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

#### 被动引用 ####

被动引用的例子如下

*  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
    
    触发的并不是一个合法的类型名称，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。
    
    ==注意：==Java语言中对数组的访问要比C/C++相对安全，很大程度上就是因为这个类包装了数组元素的访问，而C/C++中则是直接翻译为对数组指针的移动。在Java语言里，当检查到发生数组越界时会抛出`java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException`异常，避免了直接造成非法内存访问。
 *  常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上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

### 类加载的过程 ###

接下来详细了解Java虚拟机中类加载的全过程，即加载、验证、准备、解析和初始化这五个阶段所执行的具体动作。

#### 加载 ####

在加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情：

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。

加载阶段结束之后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区当中了，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义，《Java虚拟机规范》未规定此区域的具体数据结构。类型数据妥善安置在方法区之后，会在Java堆内存中实例化一个`java.lang.Class`类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口。

#### 验证 ####

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当做代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段是非常重要的，这个阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击，从代码量和耗费的执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载过程中占了相当大的比重。

从整体上来看，验证阶段大致上会完成下面四个阶段的验证动作：

*  **文件格式验证**
    
    第一阶段主要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。
    
    此阶段的验证是`基于二进制字节流`进行的，只有通过这个阶段的验证之后，这段字节流才被允许进入Java虚拟机内存的方法区中进行存储，所以后面的三个验证阶段全部是`基于方法区的存储结构`上进行的，不会直接读取、操作字节流了。
 *  **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，以保证其描述的信息符合《Java语言规范》的要求。
 *  **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分析和控制流分析，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校验完毕之后，这阶段就要对类的方法体（Class文件中的Code属性）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行为。
    
    “停机问题”（`Halting Problem`），即不能通过程序准确地检查出程序是否能在有效的时间之内结束运行。（不可能用程序来准确判断一段程序是否存在bug）
 *  **符号引用验证**
    
    此阶段的校验行为发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化阶段将在连接的第三阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看着是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的各类信息进行匹配性校验，通俗来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。

#### 准备 ####

准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段，从概念上将，这些变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配，但必须注意到方法区本身是一个逻辑上的区域，在JDK7及之前，HotSpot使用永久代来实现方法区时，实现是完全符合这种逻辑概念；而在JDK8及之后，类变量则会随着Class对象一起存放在Java堆中，这时候“类变量在方法区”就完全是一种对逻辑概念的表述了。

public static int value = 123;
    变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时尚未开始执行任何Java方法

如果类字段的字段属性表中存在`ConstantValue`属性，那在准备阶段变量值就会被初始化为`ConstantValue`属性所指定的初始值，如下所示。

public static final int value = 123;

#### 解析 ####

解析阶段是Java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`）
    
    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，只要使用时无歧义地定位到目标即可。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是已经加载到虚拟机内存中的内容。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**（`Direct References`）
    
    直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者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直接相关的，同一个符号引用在不同虚拟机示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虚拟机的内存中存在。

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这7类符号引用进行。

#### 初始化 ####

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，之前介绍的几个类加载的动作里，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。

我们也可以从另外一种更直接的形式来表达：初始化阶段就是执行类构造器`<clinit>（）`方法的过程，`<clinit>（）`并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是`Javac`编译器的自动生成物

*  `<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中可以赋值，但是不是访问
 *  `<clinit>（）`方法与类构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器`<init>（）`方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的`<clinit>（）`方法执行前，父类的`<clinit>（）`方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的`<clinit>（）`方法的类型肯定是`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须的，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，因为只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。此外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的`<clinit>（）`方法
 *  Java虚拟机必须保证一个类的`<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，那么只会有其中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，直到活动线程执行完毕`<clinit>（）`方法

### 类加载器 ###

Java虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己去决定如何获取所需的类。实现这个动作的代码被称为“**类加载器**”（`Class Loader`）。

#### 类与类加载器 ####

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超类加载阶段。对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在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。更通俗地说：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Java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。

#### 双亲委派模型 ####

站在Java虚拟机的角度来看，只存在两种不同的类加载器：一种是**启动类加载器**（`Bootstrap Class Loader`），这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；另外一种就是其他所有的类加载器，这些类加载器都是由Java语言实现，独立存在于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类`java.lang.ClassLoader`。

自`JDK1.2`以来，Java一致保持着三层类加载器、双亲委派的类加载架构，尽管这套架构在Java模块化系统出现后有了一些调整变动，但依然未改变其主体结构。

对于JDK8及之前版本的Java应用，绝大多数Java程序都会使用到以下3个系统提供的类加载器来进行加载。

*  **启动类加载器**（`Bootstrap Class Loader`）
    
    此类加载器负责加载存放在`<JAVA_HOME>\lib`目录下，或者被`-Xbootclasspath`参数所指定的路径中存放的，而且是Java虚拟机能够被识别的类库加载到虚拟机的内存中。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去处理，直接使用null代替即可。
 *  **扩展类加载器**（`Extension Class Loader`）
    
    这个类加载器是在类`sun.misc.Launcher$ExtClassLoader`中以Java代码的形式实现的。它负责加载`<JAVA_HOME>\lib\ext`目录中，或者被`java.ext.dirs`系统变量所指定的路径中所有的类库，这是一种Java系统类库的扩展机制，由于扩展类加载器是由Java代码实现的，开发者可以直接在程序中使用扩展类加载器来加载Class文件。
 *  **应用程序类加载器**（`Application Class Loader`）
    
    这个类加载器由`sun.misc.Launcher$AppClassLoader`来实现。由于应用程序类加载器是`ClassLoader`类中的`getSystem-ClassLoader()`方法的返回值，所以有些场合中也称它为“**系统类加载器**”。它负责加载用户类路径（`ClassPath`）上所有的类库，开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。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。

下图中展示的各种类加载器之间的层次关系被称为类加载器的“**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有自己的父类加载器。不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承（`Inheritance`）的关系来实现的，而是通常使用组合（`Composition`）关系来复用父加载器的代码。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDM2ODQzNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_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最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完成加载。

使用双亲委派模型来组织类加载之间的关系，一个显而易见的好处就是Java中的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`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环境中都能保证是同一个类。

> 参考《深入理解Java虚拟机》周志明著  
> 本博客仅供学习和参考

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