JVM类加载机制

Posted 2023-04-06 索码理

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文章目录

• 加载（Loading）
• 连接（Linking）
• 初始化（Initialization）
• • 类初始化的时机
• 总结

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。当Java程序运行时，Java虚拟机会按需加载类，即在程序需要使用某个类时才会加载该类。

类的生命周期如下图：

JVM的类加载机制包括加载、连接（ 验证、准备、解析）、初始化 3个阶段。

加载（Loading）

加载（Loading） 阶段主要是查找并加载字节码文件，这个文件可以是来自本地文件系统、网络、jar包等地方。加载后，生成一个对应的Class对象。

加载类时会做以下工作：

1. 根据类的全限定名查找并读取类的二进制数据。类的二进制数据可以来自文件、网络、数据库等各种数据源。
2. 将类的二进制数据转换成方法区内部的数据结构。在转换的过程中，JVM会对类的二进制数据进行解析和校验。
3. 在方法区内存储该类的相关信息，包括类的名称、修饰符、常量池、字段描述符、方法描述符、接口描述符、方法表等。
4. 生成一个代表该类的Class对象，并将该对象存放在JVM的堆内存中。Class对象包含了类的各种信息，可以用于创建类的实例、获取类的方法和字段等操作。

需要注意的是，在加载类的过程中，JVM会遵循一定的双亲委派机制，即先委派给父类加载器尝试加载，如果父类加载器无法加载，则由当前类加载器进行加载。这样可以保证类的加载不会重复，避免出现类似的类被多次加载的情况。有关类加载器可以查看我之前的文章。

加载阶段与连接阶段的部分动作（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一部分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

连接（Linking）

连接阶段是Java虚拟机将类文件中的符号引用转换为直接引用的过程，会对字节码文件进行验证、准备、解析。

• 验证（Verification）：在这个阶段，JVM会对字节码进行验证，以确保其符合Java虚拟机规范，并且不会对虚拟机造成安全威胁。验证的内容包括静态分析、字节码验证、符号引用验证等。如果验证失败，JVM会抛出VerifyError异常。

• 准备（Preparation）：在这个阶段，JVM会为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值（零值）。这个阶段不会执行任何Java代码，只是为静态变量分配内存空间。例如将int类型的静态变量赋值为0。

  public static int staticValue = 123;
  

  准备阶段初始化只是将静态变量初始化为默认值，比如上面这段代码，不同数据类型都有其默认值，初始化是只是将staticValue赋予默认值0，也就是staticValue = 0，只有在初始化阶段才会将staticValue赋值为123，也就是staticValue = 123。但是如果是staticValue是个常量public static final int staticValue = 123，准备阶段才会将staticValue赋值为123。

• 解析（Resolution）：在这个阶段，JVM会将类、接口、字段和方法的符号引用解析为直接引用。符号引用是指用来描述某个类、字段或方法的名称和类型的符号，而直接引用则是指直接指向内存中的具体位置的引用。解析的过程包括将类或接口的符号引用解析为直接引用、将字段的符号引用解析为直接引用、将类中方法的符号引用解析为直接引用。

初始化（Initialization）

初始化阶段是指在类被首次主动使用时执行的阶段，虚拟机会执行类的初始化代码，包括静态变量的赋值和静态代码块的执行等操作。

初始化阶段是类加载的最后一个阶段，在该阶段，JVM会执行以下操作：

1. 执行静态变量赋值操作：在这个阶段，JVM会对所有的静态变量进行初始化并赋值。这些静态变量的值通常在类定义中已经被明确定义了，JVM会根据定义进行相应的赋值操作。
2. 执行静态代码块：如果类定义中包含有静态代码块，那么在该阶段JVM会执行这些静态代码块中的代码。
3. 调用类的初始化方法：在Java程序中，可以使用static关键字来定义一个类的静态初始化方法（即static void methodName()）。在该阶段，JVM会调用这个类的静态初始化方法。

类初始化的时机

类初始化时机包括以下四种情况：

• 创建该类的实例对象时，例如使用 new 关键字创建对象，类的初始化将被触发
• 如果一个类是程序执行的入口类（即包含 main() 方法的类），那么也会触发该类的初始化操作。
• 子类初始化会触发父类初始化：当一个子类被初始化时，其父类也会被初始化。这意味着，如果一个类没有被使用，那么它的父类也不会被初始化。
• 当调用类的静态方法（不包括final方法和private方法）或访问类的静态字段（不包括final字段）时，类的初始化将被触发。
• 当使用反射API对类进行某些操作时（例如使用Class.forName()方法加载类、调用Class.newInstance()方法创建对象、调用Method.invoke()方法调用方法等），类的初始化将被触发。

初始化是线程安全的JVM保证一个类的初始化只会由一个线程去执行，其他线程需要等待该线程完成后才能访问该类。

下面用一个简单的Java代码示例，展示JVM类加载机制中初始化阶段的示例

public class MyClass 

    // 静态变量
    public static String staticStr = "Hello, world!";

    static 
        System.out.println("MyClass is initialized.");
    

    // 构造方法
    public MyClass() 
        System.out.println("MyClass constructor is called.");
    

    // 静态方法
    public static void staticMethod() 
        System.out.println("MyClass staticMethod is called.");
    

在上述代码中，类MyClass包含一个静态变量staticStr、一个静态代码块和一个构造方法，以及一个静态方法staticMethod。当程序首次使用MyClass类时，JVM将会触发MyClass类的初始化阶段。可以通过下面的代码来测试类的初始化：

public class Test 
    public static void main(String[] args) 
        System.out.println(MyClass.staticStr); // 调用静态变量，触发类初始化
        MyClass.staticMethod(); // 调用静态方法，触发类初始化
        MyClass obj = new MyClass(); // 创建对象，触发类初始化
    

在上面的代码中，首先输出了MyClass类的静态变量staticStr，此时会触发MyClass类的初始化；然后调用了静态方法staticMethod，同样会触发MyClass类的初始化；最后创建了一个MyClass对象，也会触发MyClass类的初始化。运行上述代码，可以看到以下输出：

MyClass is initialized.
Hello, world!
MyClass staticMethod is called.
MyClass constructor is called.

输出结果表明，MyClass类的初始化确实在首次使用该类时被触发，包括静态变量、静态代码块、静态方法和构造方法都被执行了。

此外，如果一个类是另一个类的子类，那么在使用子类时，父类也会被初始化。例如：

public class MyBaseClass 
    static 
        System.out.println("MyBaseClass is initialized.");
    


public class MySubClass extends MyBaseClass 
    static 
        System.out.println("MySubClass is initialized.");
    


public class Test 
    public static void main(String[] args) 
        MySubClass obj = new MySubClass(); // 创建子类对象，触发父类和子类初始化
    

在上述代码中，当创建MySubClass类的对象时，将会触发MyBaseClass和MySubClass类的初始化。运行上述代码，可以看到以下输出：

MyBaseClass is initialized.
MySubClass is initialized.

总结

JVM的类加载机制采用了延迟加载的策略，即在需要使用类时才加载该类，这种方式可以提高程序的启动速度，也避免了不必要的资源浪费。同时，JVM还提供了多个类加载器，可以通过自定义类加载器实现特定的加载策略，例如动态加载、远程加载等，从而满足不同的应用需求。

聊一聊双亲委派模式

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JVM-类加载机制

虚拟机类加载机制 

　　虚拟机把描述的类的数据从class文件加载到内存后，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。

 类加载的时机

　　　类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：类加载（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）。

　　虚拟机规范严格规定了有且仅有5种情况必须立即对类进行“初始化”：

1. 遇到new , getstatic , putstatic 或involvestatic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。
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方法的类），虚拟机会先初始化这个类。
5. 当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果java.lang.invoke.MethodHeadle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。

 类加载的过程

　　一、加载

　　（1）在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事：

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

　　（2）数组类本身不通过类加载器创建，他是由Java虚拟机直接创建的。

　　　　一个数组类创建过程遵循以下规则：

1. 如果数组的组件类型（Component Type ， 指的是数组去掉一个维度的类型）是引用类型，那就递归采用上面介绍的加载过程去加载这个组件类型，数组将在加载该数组组件类型的类加载器的类名称空间上呗标识。
2. 如果数组的组件类型不是7引用类型，Java虚拟机将会把数组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，如果组件类型不是引用类型，需要数组类的可见性将 默认为public

 

　　二、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文件的字节流包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机本省的安全。

　　验证阶段大致上会完成以下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

1. 第一阶段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。
2. 中油通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会直接操作字节码。

　（2 ) 元数据验证

1. 第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以确保其描述的信息符合Java语言规范的要求。
2. 第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义化验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息

　　（3 ) 字节码验证

1. 督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和控制流分析，确定程序语义是合法的，符合逻辑的。这个阶段将对类的方法体进行校验分析。保证被校验类的方法运行时不会做出危害虚拟机安全的时间。
2. 例如：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。保证跳转到方法体以外的字节码指令上。

　　（4 ) 符号引用验证

1. 最后一个验证阶段的检验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接阶段的第三阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外的信息进行匹配性校验。
2. 例如：符号引用中通过字符串描述中的全限定名是否能找到对应的类。在特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
3. 符号引用验证的目的是确定解析动作能正常执行，如果无法通过符号引用验证，那么将会抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类

　　

　三、准备

　　准备阶段是正式为类变量 分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存将在方法区中进行分配。

 

　　四、解析

　　（1）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。

1. 符号引用（symbolic Reference）：符号引用逸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 时能无歧义地定位到引用目标即可。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，但是它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虚拟机规范中的class文件格式中。
2. 直接引用（Direct Reference）：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，同一个符号引用在不同的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。

　　（2）虚拟机规范中并未规定解析阶段发生的具体时间，只要求了执行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，先过它们所使用的符号引用进行解析。

　　（3）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。

　　（4）类或接口的解析

　　　　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。在加载过程中，由于元数据验证，字节码验证的需要，又可能触发其他相关的类的加载动作。

　　　　2）如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，那将会按以上的规则加载数组类型。如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载元素的类型，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，但在解析完成之后还要进行符号引用验证，确认D是否是具备对C的访问权限。

　　（5）字段解析

　　（6）类方法解析

　　（7）接口方法解析

 

　　五、初始化

1. 类初始化阶段是类加载过程的最后一步
2. 在准备阶段，变量已经赋过一次系统要过的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员制定的主观去初始化变量和其他资源，或者可以从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<cninit>（）方法的过程。
3. <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。
4. <clinit>()方法与类的构造函数不同，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>()方法的类肯定有java.lang.object。
5. 由父类的<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。
6. <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
7. 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多个线程环境中正确地加锁，同步。

　　

 类加载器

　　一、类与类加载器

　　对于任意一个类，需要由加载它的加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。

　　二、双亲委派模型

　　（1）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（Bootstrap Class ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现是Java虚拟机自动的一部分；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，并且全都是继承自抽象类java.lang.classLoader.

　　（2）细分：启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

　　　　　　　 扩展类加载器（Extension ClassLoadert）

　　　　　　     应用程序类加载器（Application ClassLoader）[系统类加载器]

　　（3）双亲委派模型工作过程：

　　　　如果一个类加载器收到了类加载器的请求，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类加载器中只有当父类加载器反馈自己无法完成这个类加载请求时，子类加载器才会尝试自己去加载。