【JVM】类加载的全过程

小灰灰 2024-03-25 15:23 57阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  「前言」
 *  「加载」
 *  「验证」
 *  「准备」
 *  「解析」
 *  「初始化」
 *  「类加载机制」
 *  「类加载」
 *  「类加载特点」
 *  「双亲委派」
 *  「双亲委派优缺点」

## 「前言」 ##

在Java语言中，每个类或接口都会被编译器编译程一个个`class`字节码文件。

类加载则是将这些`class`字节码文件的二进制数据读入到内存中，并且对数据进行校验、解析、初始化。**最终，每一个类都会在方法区保存一份它的元数据，在堆中创建一个与之对应的Class对象。**

> 1.  类的生命周期需要经历7个阶段，分别是**加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载**
> 2.  类的加载过程则是前面5个阶段，分别是**加载、验证、准备、解析、初始化**，其中 **验证、准备、解析** 可以归纳为 “连接” 阶段。

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## 「加载」 ##

加载阶段是类加载的第一个阶段。

在这个阶段，JVM的目的是将字节码从各个位置转化为二进制字节流加载到内存中，接着会为这个类在JVM的方法区创建一个对应的`Class`对象，这个 `Class` 对象就是这个类各种数据的访问入口。

**也就是在这个阶段，虚拟机需要完成下面三件事情：**

1.  通过一个类的全限定名去找到其对应的`class`文件
2.  将这个`class`文件内的二进制数据读取出来，转化成方法区的运行时数据结构
3.  在Java堆中生成一个代表这个类的`java.lang.Class`对象，作为对方法区中这些数据的访问入口

> 注意：**Java虚拟机并没有规定类的字节流必从.class文件中加载**，在加载阶段，程序员可以通过自定义的类加载器，自行定义读取的地方，例如通过网络、数据库等。

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## 「验证」 ##

在验证阶段，JVM完成了加载`class`字节码文件的步骤，并且在方法区创建对应的`Class`对象之后，JVM便会对这些字节码流进行校验，只有符合JVM规范的文件才能被JVM正确执行。

**验证的过程，分为以下两个类型：**

1.  **JVM 规范校验**
    
    1.  JVM 会对字节流进行文件格式校验，判断其是否符合 JVM 规范，是否能被当前版本的虚拟机处理。
    2.  例如，校验文件是否是以 `0x cafe babe` 开头，主次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内等。
2.  **代码逻辑校验**
    
    1.  JVM 会对代码组成的数据流和控制流进行校验，确保 JVM 运行该字节码文件后不会出现致命错误。
    2.  例如，一个方法要求传入 `int` 类型的参数，但是使用它的时候却传入了一个 `String` 类型的参数。

> **验证这个阶段虽然十分重要，但是不是必须，它对于程序的运行期没有影响。**
> 
> **如果所引用的类经过反复验证**，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。
> 
> **Java虚拟机允许程序员主动取消这个阶段**，用来缩短类加载的时间，可以根据自身需求，使用 `-Xverify:none`参数来关闭大部分的类验证措施。

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## 「准备」 ##

**在准备阶段中，JVM将类变量分配内存并初始化。**

Java 中的变量有`类变量`和`类成员变量`两种类型。「类变量」指的是被 `static` 修饰的变量，而其他所有类型的变量都属于`类成员变量`。

**在准备阶段，JVM 只会为`类变量`分配内存，而不会为`类成员变量`分配内存。`类成员变量`的内存分配需要等到初始化阶段才开始。**

public static int classVariable = 3;
    public String classMemberVariable = "Java is good";

上述代码在准备阶段只会为`classVariable`分配内存而不会给`classMemberVariable`分配内存

**在准备阶段，JVM 会为`类变量`分配内存并为其初始化。这里的`初始化`指的是为变量赋予 Java 语言中该数据类型的零值，而不是用户代码里初始化的值。**

public static int sector = 3;

上述代码中，`sector`的值将会是0，而不会被赋值为3。

**如果一个变量是常量（被 `static final` 修饰）的话，那么在准备阶段，变量便会被赋予用户希望的值。**

`final` 关键字用在变量上，表示该变量不可变，一旦赋值就无法改变。**所以，在准备阶段中，对类变量初始化赋值时，会直接赋予用户希望的值。**

public static int sector = 3;

上述代码中，`sector`的值将会是3

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## 「解析」 ##

这个阶段，虚拟机会把这个Class文件中，常量池内的符号引用转换为直接引用。**主要解析的是 类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄等符号引用**。

可以把解析阶段中，符号引用转换为直接引用的过程，理解为当前加载的这个类，和它所引用的类，**正式进行“连接“的过程**。

> ***什么是符号引用？***  
> Java代码在编译期间，是不知道最终引用的类型，具体指向内存中哪个位置的，这时候会用一个符号引用，来表示具体引用的目标是"谁"。Java虚拟机规范中明确定义了符号引用的形式，符合这个规范的前提下，符号引用可以是任意值，只要能通过这个值能定位到目标。
> 
> ***什么是直接引用？***  
> 直接引用就是可以直接或间接指向目标内存位置的指针或句柄。
> 
> ***引用的类型，还未加载初始化怎么办？***  
> 当出现这种情况，会触发这个引用对应类型的加载和初始化。

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## 「初始化」 ##

初始化是类加载的最后一个步骤，初始化的过程，也就是执行类构造器`<clinit>()`方法的过程

> ***`<clinit>()` 方法的作用是什么？***
> 
> **在准备阶段，已经对类中static修饰的变量赋予了初始值**。`<clinit>()` 方法的作用，**就是给这些变量赋予程序员实际定义的“值”**。同时类中如果存在static代码块，也会执行这个静态代码块里面的代码。
> 
> ***`<clinit>()`方法是什么？***
> 
> `<clinit>()` 方法 和 `<init>`方法是不同的，**它们一个是“类构造器”，一个是实例构造器。**  
> Java虚拟机会保证子类`<clinit>()` 方法在执行前，父类的 `<clinit>()` 已经执行完毕。而`<init>` 方法则需要显性的调用父类的构造器。  
> `<clinit>()` 方法由编译器自动生成，但不是必须生成的，只有这个类存在static修饰的变量，或者类中存在静态代码块但时候，才会自动生成`<clinit>()`方法。

**当 JVM 遇到下面 5 种情况的时候会触发初始化**

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**。
    
     *  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 JDK 1.7 动态语言支持时，如果一个 `java.lang.invoke.MethodHandle` 实例最后的解析结果是 `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初始化时，则需要先出触发其初始化。

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## 「类加载机制」 ##

**当编译器将 Java 源码编译为字节码之后，虚拟机便可以将字节码读取进内存，从而进行解析、运行等整个过程。我们将这个过程称为 Java 虚拟机的`类加载机制`。**

`类加载机制`中，通过类加载器（`classloader`）来完成类加载的过程。

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## 「类加载」 ##

通过一个类全限定名称来获取其二进制文件（`.class`）流的工具，被称为类加载器（`classloader`）。

**Java中支持4中类加载器**

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**启动类加载器（`Bootstrap ClassLoader`）**

*  用于加载 Java 的核心类
 *  它不是一个 Java 类，是由底层的 C++ 实现。因此，启动类加载器不属于 Java 类库，无法被 Java 程序直接引用。`Bootstrap ClassLoader` 的 `parent` 属性为 `null`

**标准扩展类加载器（`Extention ClassLoader`)**

*  由 `sun.misc.Launcher$ExtClassLoader` 实现
 *  负责加载 `JAVA_HOME` 下 `libext` 目录下的或者被 `java.ext.dirs` 系统变量所指定的路径中的所有类库

**应用类加载器（`Application ClassLoader`)**

*  由 `sun.misc.Launcher$AppClassLoader` 实现
 *  负责在 JVM 启动时加载用户类路径上的指定类库

**用户自定义类加载器（`User ClassLoader`)**

*  当上述 3 种类加载器不能满足开发需求时，用户可以自定义加载器
 *  **自定义类加载器时，需要继承 `java.lang.ClassLoader` 类。如果不想打破双亲委派模型，那么只需要重写 `findClass` 方法即可；如果想打破双亲委派模型，则需要重写 `loadClass` 方法**

***`classloader` 类存在一个 `parent` 属性，可以配置双亲属性。默认情况下，JDK 中设置如下。***

ExtClassLoader.parent=null;
    
    AppClassLoader.parent=ExtClassLoader
    
    //自定义
    XxxClassLoader.parent=AppClassLoader

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## 「类加载特点」 ##

「类加载机制」中，通过「类加载器（`classloader`）」来完成类加载的过程。Java 中的类加载机制，有如下 3 个特点

1.  **双亲委派**
    
     *  **JVM 中，类加载器默认使用双亲委派原则**
2.  **负责依赖**
    
     *  如果一个加载器在加载某个类的时候，发现这个类依赖于另外几个类或接口，也会去尝试加载这些依赖项。
3.  **缓存加载**
    
     *  为了提升加载效率，消除重复加载，一旦某个类被一个类加载器加载，那么它会缓存这个加载结果，不会重复加载。

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## 「双亲委派」 ##

**双亲委派机制是一种任务委派模式，是 Java 中通过加载工具（`classloader`）加载类文件的一种具体方式。** 具体表现为

1.  如果一个类加载器收到了类加载请求，**它并不会自己先加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行**。
2.  如果父类加载器还存在其父类加载器，\*\*则进一步向上委托，依次递归，\*\*请求最终将到达顶层的引导类加载器 `BootstrapClassLoader`。
3.  如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；倘若父类加载器无法完成加载任务，子加载器才会尝试自己去加载。
4.  父类加载器一层一层往下分配任务，**如果子类加载器能加载，则加载此类**；如果将加载任务分配至系统类加载器（`AppClassLoader`）也无法加载此类，则抛出异常。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException {
        
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        
            // 1. 检查该类是否已经加载
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
        
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
        
                    if (parent != null) {
        
                        // 2. 有上级的话，委派上级 loadClass
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
        
                        // 3. 如果没有上级了（ExtClassLoader），则委派
                        BootstrapClassLoader
                            c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
        
                }
                if (c == null) {
        
                    long t1 = System.nanoTime();
                    // 4. 每一层找不到，调用 findClass 方法（每个类加载器自己扩展）来加载
                    c = findClass(name);
                    // 5. 记录耗时
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
        
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

**上述代码的主要步骤如下**

1.  先检查类是否已经被加载过
2.  若没有加载，则调用父加载器的 `loadClass()` 方法进行加载
3.  若父加载器为空，则默认使用启动类加载器作为父加载器
4.  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

![image-20230315175115390][]

`ClassLoader` 中和类加载有关的方法有很多，前面提到了 `loadClass()`，除此之外，还有 `findClass()` 和 `defineClass()` 等。这3个方法的区别如下

*  `loadClass()`：默认的双亲委派机制在此方法中实现
 *  `findClass()`：根据名称或位置加载 `.class` 字节码
 *  `definclass()`：把 `.class` 字节码转化为 `Class` 对象

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## 「双亲委派优缺点」 ##

双亲委派可以保证一个类不会被多个类加载器重复加载，并且保证核心 API 不会被篡改，**其优点如下**

1.  **避免类的重复加载**
    
    1.  通过双亲委派的方式，可以保证安全性 。因为 BootstrapClassLoader 在加载的时候，只会加载 JAVA\_HOME 中的 jar 包里面的类，如 java.lang.String，那么这个类是不会被随意替换的，除非有人跑到你的机器上，破坏你的 JDK

**其缺点如下：**

1.  在双亲委派中，**子类加载器可以使用父类加载器已经加载过的类，但是父类加载器无法使用子类加载器加载过的类**（类似继承的关系）。

Java 提供了很多服务提供者接口（SPI，`Service Provider Interface`），**它可以允许第三方为这些接口提供实现**，比如数据库中的 SPI 服务 - JDBC。**这些 SPI 的接口由 Java 核心类提供**，实现者确是第三方。如果继续沿用双亲委派，就会存在问题，**提供者由 Bootstrap ClassLoader 加载**，而实现者是由第三方自定义类加载器加载。这个时候，**顶层类加载就无法使用子类加载器加载过的类**。

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> **参考：**
> 
> 1.  [JVM类加载机制、双亲委派和SPI机制 - 掘金][JVM_SPI_ -]

[image-20230314215836422]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/4a71a267913448a88a746f6f0f9d4d10.png
[img]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/13073114814646f5bb76a1d59f05d4d8.png
[image-20230315175115390]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/b2829d114c7045bc84ddc7d92777cacc.png
[JVM_SPI_ -]: https://juejin.cn/post/7102219703891787784