Java 虚拟机程序执行:02 虚拟机的类加载机制
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虚拟机的类加载机制
类加载的时机
JVM 会在程序第一次主动引用类的时候,加载该类,被动引用时并不会引发类加载的操作。也就是说,JVM 并不是在一开始就把一个程序就所有的类都加载到内存中,而是到不得不用的时候才把它加载进来,而且只加载一次。那么什么是主动引用,什么是被动引用呢?
- 主动引用
- 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 字节码指令,例如:
- 使用 new 实例化对象;
- 读取或设置一个类的 static 字段(被 final 修饰的除外);
- 调用类的静态方法。
- 对类进行反射调用;
- 初始化一个类时,其父类还没初始化(需先初始化父类);
- 这点类与接口具有不同的表现,接口初始化时,不要求其父接口完成初始化,只有真正使用父接口时才初始化,如引用父接口中定义的常量。
- 虚拟机启动,先初始化包含 main() 函数的主类;
- JDK 1.7 动态语言支持:一个 java.lang.invoke.MethodHandle 的解析结果为 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic。
- 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 字节码指令,例如:
- 被动引用
- 通过子类引用父类静态字段,不会导致子类初始化;
Array[] arr = new Array[10];
不会触发 Array 类初始化;static final VAR
在编译阶段会存入调用类的常量池,通过ClassName.VAR
引用不会触发 ClassName 初始化。
也就是说,只有发生主动引用所列出的 5 种情况,一个类才会被加载到内存中,也就是说类的加载是 lazy-load 的,不到必要时刻是不会提前加载的,毕竟如果将程序运行中永远用不到的类加载进内存,会占用方法区中的内存,浪费系统资源。
类的显式加载和隐式加载
- 显示加载:
- 调用
ClassLoader#loadClass(className)
或Class.forName(className)
。 - 两种显示加载 .class 文件的区别:
Class.forName(className)
加载 class 的同时会初始化静态域,ClassLoader#loadClass(className)
不会初始化静态域;- Class.forName 借助当前调用者的 class 的 ClassLoader 完成 class 的加载。
- 调用
- 隐式加载:
- new 类对象;
- 使用类的静态域;
- 创建子类对象;
- 使用子类的静态域;
- 其他的隐式加载,在 JVM 启动时:
- BootStrapLoader 会加载一些 JVM 自身运行所需的 Class;
- ExtClassLoader 会加载指定目录下一些特殊的 Class;
- AppClassLoader 会加载 classpath 路径下的 Class,以及 main 函数所在的类的 Class 文件。
类加载的过程
类的生命周期
加载 --> 验证 --> 准备 --> 解析 --> 初始化 --> 使用 --> 卸载
|<------- 连接 ------->|
|<------------- 类加载 ---------------->|
类的生命周期一共有 7 个阶段,其中前五个阶段较为重要,统称为类加载,第 2 ~ 4 阶段统称为连接,加载和连接中的三个过程开始的顺序是固定的,但是执行过程中是可以交叉执行的。接下来,我们将对类加载的 5 个阶段进行一一讲解。
加载
加载的 3 个阶段
- 通过类的全限定名获取二进制字节流(将 .class 文件读进内存);
- 将字节流的静态存储结构转化为运行时的数据结构;
- 在内存中生成该类的 Class 对象;
- HotSpot 虚拟机把这个对象放在方法区,非 Java 堆。
分类
- 非数组类
- 系统提供的引导类加载器
- 用户自定义的类加载器
- 数组类
- 不通过类加载器,由 Java 虚拟机直接创建
- 创建动作由 newarray 指令触发,new 实际上触发了
[L全类名
对象的初始化 - 规则
- 数组元素是引用类型
- 加载:递归加载其组件
- 可见性:与引用类型一致
- 数组元素是非引用类型
- 加载:与引导类加载器关联
- 可见性:public
- 数组元素是引用类型
验证
- 目的: 确保 .class 文件中的字节流信息符合虚拟机的要求。
- 4 个验证过程:
- 文件格式验证:是否符合 Class 文件格式规范,验证文件开头 4 个字节是不是 “魔数”
0xCAFEBABE
- 元数据验证:保证字节码描述信息符号 Java 规范(语义分析)
- 字节码验证:程序语义、逻辑是否正确(通过数据流、控制流分析)
- 符号引用验证:对类自身以外的信息(常量池中的符号引用)进行匹配性校验
- 文件格式验证:是否符合 Class 文件格式规范,验证文件开头 4 个字节是不是 “魔数”
- 这个操作虽然重要,但不是必要的,可以通过
-Xverify:none
关掉。
准备
- 描述: 为 static 变量在方法区分配内存。
- static 变量准备后的初始值:
public static int value = 123;
- 准备后为 0,value 的赋值指令 putstatic 会被放在
<client>()
方法中,<client>()
方法会在初始化时执行,也就是说,value 变量只有在初始化后才等于 123。
- 准备后为 0,value 的赋值指令 putstatic 会被放在
public static final int value = 123;
- 准备后为 123,因为被
static final
赋值之后 value 就不能再修改了,所以在这里进行了赋值之后,之后不可能再出现赋值操作,所以可以直接在准备阶段就把 value 的值初始化好。
- 准备后为 123,因为被
解析
- 描述: 将常量池中的 “符号引用” 替换为 “直接引用”。
- 在此之前,常量池中的引用是不一定存在的,解析过之后,可以保证常量池中的引用在内存中一定存在。
- 什么是 “符号引用” 和 “直接引用” ?
- 符号引用:以一组符号描述所引用的对象(如对象的全类名),引用的目标不一定存在于内存中。
- 直接引用:直接指向被引用目标在内存中的位置的指针等,也就是说,引用的目标一定存在于内存中。
初始化
- 描述: 执行类构造器
<client>()
方法的过程。 <client>()
方法- 包含的内容:
- 所有 static 的赋值操作;
- static 块中的语句;
<client>()
方法中的语句顺序:- 基本按照语句在源文件中出现的顺序排列;
- 静态语句块只能访问定义在它前面的变量,定义在它后面的变量,可以赋值,但不能访问。
- 与
<init>()
的不同:- 不需要显示调用父类的
<client>()
方法; - 虚拟机保证在子类的
<client>()
方法执行前,父类的<client>()
方法一定执行完毕。- 也就是说,父类的 static 块和 static 字段的赋值操作是要先于子类的。
- 不需要显示调用父类的
- 接口与类的不同:
- 执行子接口的
<client>()
方法前不需要先执行父接口的<client>()
方法(除非用到了父接口中定义的 public static final 变量);
- 执行子接口的
- 执行过程中加锁:
- 同一时刻只能有一个线程在执行
<client>()
方法,因为虚拟机要保证在同一个类加载器下,一个类只被加载一次。
- 同一时刻只能有一个线程在执行
- 非必要性:
- 一个类如果没有任何 static 的内容就不需要执行
<client>()
方法。
- 一个类如果没有任何 static 的内容就不需要执行
- 包含的内容:
注:初始化时,才真正开始执行类中定义的 Java 代码。
类加载器
如何判断两个类 “相等”
- “相等” 的要求
- 同一个 .class 文件
- 被同一个虚拟机加载
- 被同一个类加载器加载
- 判断 “相等” 的方法
instanceof
关键字- Class 对象中的方法:
equals()
isInstance()
isAssignableFrom()
类加载器的分类
- 启动类加载器(Bootstrap)
- <JAVA_HOME>/lib
- -Xbootclasspath 参数指定的路径
- 扩展类加载器(Extension)
- <JAVA_HOME>/lib/ext
- java.ext.dirs 系统变量指定的路径
- 应用程序类加载器(Application)
- -classpath 参数
双亲委派模型
- 工作过程
- 当前类加载器收到类加载的请求后,先不自己尝试加载类,而是先将请求委派给父类加载器
- 因此,所有的类加载请求,都会先被传送到启动类加载器
- 只有当父类加载器加载失败时,当前类加载器才会尝试自己去自己负责的区域加载
- 当前类加载器收到类加载的请求后,先不自己尝试加载类,而是先将请求委派给父类加载器
- 实现
- 检查该类是否已经被加载
- 将类加载请求委派给父类
- 如果父类加载器为 null,默认使用启动类加载器
parent.loadClass(name, false)
- 当父类加载器加载失败时
- catch ClassNotFoundException 但不做任何处理
- 调用自己的 findClass() 去加载
- 我们在实现自己的类加载器时只需要
extends ClassLoader
,然后重写findClass()
方法而不是loadClass()
方法,这样就不用重写loadClass()
中的双亲委派机制了
- 我们在实现自己的类加载器时只需要
- 优点
- 自己写的类库同名类不会覆盖类库的类
以上是关于Java 虚拟机程序执行:02 虚拟机的类加载机制的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章