深入理解java虚拟机--类加载机制

Posted 2020-10-30 hmily555

一、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。

二、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（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)，顺序如下图，图7-1 类的生命周期

 

 

        其中加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类加载过程必须按照这种顺序开始。

      Java虚拟机规范中没有对加载进行强制约束，由虚拟机的具体实现来自由把握。对于初始化阶段，则有严格规定了有且只有五中情况必须立即执行初始化：

        1、遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果没有进行初始化过，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进行初始化，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、当时用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且句柄所对应的类没有进行初始化，则需要先触发其初始化。

        以上五种场景中的行为称为对一个类的主动引用，除此之外，所有引用类的方法都不会触发初始化，被称为被动引用。

三、类加载的过程

        1、加载

        加载是类加载过程的一个阶段。在加载阶段需要完成以下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，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

        2、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文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且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子系统中又占了相当大的一部分。验证大致会完成下面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、符号运用验证。

          3、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，这些变量都将在方法区中进行分配。首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量，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在Java堆中。其次，这里所说的初始化“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：public static int value=123； 那么变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，将value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。   

          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)：符号引用以一组符号来描述引用所引用的目标，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虚拟机规范的Class文件格式中。

          直接引用：(Direct References):直接引用可以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，那引用的目标必定在内存中存在。

        解析动作主要针对类或者接口、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，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info 7种常量类型。

        5、初始化

        类初始化阶段是类加载过程的最后一步，这个阶段才真正开始执行类中定义的Java程序代码。

        初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。

 

四、类加载器

        虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让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称为“类加载器”。

        1、双亲委派模型

        从Java虚拟机的角度讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)，是虚拟机的一部分；另一种就是所有其他类加载器，独立于虚拟机外部，并且全部都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

      绝大部分Java程序都会使用到启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)、扩展类加载器(Extension ClassLoader)、应用程序类加载器(Application ClassLoader)这三个系统提供的类加载器。

      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当有自己的父类加载器。这里的类加载之间的父子关系一般不会以继承(Inheritance)的关系来实现，而都是组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。图7-2 类加载器双亲委派模型

 

 

        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时，子加载器才会尝试自己去加载。

        2、破坏双亲委派模型

本文来自于《深入Java虚拟机-JVM高级特性与最佳实践》---周志华。如果侵权，请联系作者删除。