JVM技术专题重塑你对类加载机制的认识「分析篇」

Posted 2022-11-27 浩宇の天尚

📕 每日一句

极限就是为了超越而存在的，如何挑战自己的极限，只能苦练！

📕 为什么又要写类加载器？

为什么有些一篇相关与对类加载器的文章？个人觉得之前的侧重点在于ClassLoader本身，以及双亲委托机制，而本篇更多站在JVM虚拟机的层面上去讲述和描述，前者侧重于使用和实际，后者本篇注重于原理和深入分析。

📕 类加载的时机与作用

一段java程序在被执行的过程中，需要经历以下几个阶段：

📕 编译阶段

编译器将源码文件编译成class文件。

class文件是.java文件的二进制字节流表示，在class文件中，包含了对应的类或接口的定义信息等常量池数据。

• 内部存放的数据有：元数据常量池，访问标志，当前类索引、父类索引和接口索引的集合，字段表集合（类中声明的变量），方法表集合等，他们共同描述了一个类的信息。

• 每个class文件一定对应一个类，但反过来未必成立，例如，动态生成的类信息，直接生成二进制字节流送入类加载器完成类加载。

• 因此广义上来讲，class并不一定要是一个class文件，也可以仅仅就是一串二进制字节流。

📕 类加载阶段

• class文件本质上是对某个类的静态描述，他需要被加载到内存，转化成运行时数据，才能被虚拟机执行，这个加载到内存的过程就是类加载过程。

• 类加载完成之后，在方法区内存放了类的类型信息、常量、静态变量(jdk8之后随类对象存储在堆内)等信息，在堆中存放了与class文件对应的Class对象。通过Class对象，可以获取到类的字段、方法、构造器等信息，它是反射的基础。

📕 类加载的作用

类加载在程序执行的过程中起到了承上启下的作用，将静态的二进制字节流数据转化为了运行时数据，供执行引擎去操作数据。

如图，加载-验证-准备-解析-初始化这五个阶段都属于类加载过程。

📕 类加载的时机

虚拟机规范并没有严格规定什么时候开始类加载。但是，规定了6种必须对类进行初始化的情况，它们被称为主动引用。

！！！由于初始化类对象需要在加载、验证、准备之后进行，因此这三步必然要在这之前完成。这里前4种是非常常见的，需要深刻掌握。

遇到new, getstatic, putstatic, invokestatic这四条字节码指令的时候，如果类型还没有被初始化，则需要初始化。

• new :实例化对象（对象实例调用表达式所创建的对象）

• getstatic/putstatic: 读取/设置类的静态字段（被final修饰的静态常量除外）

• invokestatic: 调用类的静态方法

📕 其他的初始化条件

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• unsafe方法进行调用对象操作

• clone方法进行操作，进行申请

• 通过文件IO的ObjectInputStream/ObjectOutputStream进行处理构造

• 通过反射对类进行调用的时候，需要确保类已经被初始化过。也好理解，反射的核心是Class对象。

• 当前类被初始化时，要先确保其父类已被初始化。

• 虚拟机启动时，要执行的主类(包含main方法的那个类)要先被初始化。

• 接口中定义了默认方法(被default修饰，可以有方法体的方法，比较少见)，当该接口的实现类初始化时，该接口需要先被初始化。

除了以上的情况之外，所有其他对类的引用都不会触发类的初始化，他们被称为被动引用。

📕类加载的过程

加载

• 加载是类加载过程的第一步，在类加载器的控制下，将二进制字节流转化为运行时数据。加载阶段需要完成3件事。

  1. 根据类的全限定名获取对应的二进制字节流/定义对应的二进制数据流。

  2. 将二进制字节流转化成方法区的运行时数据结构。

  3. 在堆中创建代表这个类的java.lang.Class对象 ，作为方法区内数据的访问入口。

• 这里二进制字节流的获取，有多种方式，源文件也可以有多种形式。比较常见的形式有：

  • 从压缩包中获取，如jar包，war包等。

  • 在程序运行时，动态计算产生。应用场景：动态代理。

  • 最常见的，编译.java文件生成.class文件

验证

验证的作用是确保Class文件内的信息符合虚拟机规范的要求，保证程序运行过程中的安全。

准备

为类变量（即静态变量）分配内存，并设初始值。(0, null, false …)。

有两点需要留意：

• 从概念上讲，应当在方法区内为静态变量赋初值（常量会执行定制化赋值，不是单纯的默认值），但实际上jdk8以后，静态变量随着类对象一起存放在堆内存中。

• 准备阶段并不会为非静态变量(即实例变量)分配内存，实例变量会在对象实例化的时候，分配内存并赋初始。

解析

将运行时常量池中符号引用替换成直接引用。

举个例子，在解析完成之前，被引用的目标还没有被加载到内存中，只能先用一个符号来表示，如"java.lang.Object"。

• 解析的作用就是，在引用的对象被加载到内存中以后，将引用替换成指向该对象的指针或句柄。需要被解析的引用有：类或接口的解析、字段解析、方法解析、接口方法解析。

• 解析的发生时间并没有严格规定，它并非一定发生在准备和初始化之间（动态链接或者动态加载、动态分派等功能实现的场景会延迟到运行阶段）。

初始化

• 在初始化之前，加载-验证-准备这3步必然是完成了，部分的解析工作也可能完成了。

  • 准备阶段：对类对象中的类变量都是系统默认的初始值（常量会直接赋值，不会等到运行阶段）。

  • 初始化阶段：对类变量赋予我们在代码中指定的值。

在初始化阶段，需要执行类构造器（与实例对象的构造器区分开来）。类构造器并非我们直接编写的方法，而是编译器收集类变量的赋值语句和static代码块的产物。

初始化阶段就是对静态变量赋值和执行静态代码块的过程（父类会在前，子类会在后）。

实例化阶段就是执行实例构造器和实例代码块（构造代码块）的过程。

📕 执行指令（不是重点）

在这个阶段，字节码执行引擎根据指令，去操作内存中的数据，完成计算任务.