深入了解JVM——虚拟机类加载机制

Posted 2022-11-26 在咖啡里溺水的鱼

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概述

虚拟机的类加载机制
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、转换和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型。

在Java里，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的

类加载的时机

类的生命周期

加载 Loading、 验证 Verification、 准备 Preparation、 解析 resolution、初始化 Initialization、 使用Using、 卸载Unloading

验证、准备、解析3个部分统称为连接 Linking

执行顺序

加载、验证、准备、初始化、卸载的顺序是确定的。解析是不确定的，为了支持动态绑定，它可以再初始化阶段之后再开始。

初始化的时机

虚拟机规范严格规定了**有且只有**5中情况必须立即对类进行初始化
1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时。对应场景：使用new实例化对象时、读取或设置一个类的static字段时（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）、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
3. 初始化一个类的时候，如果其父类还没有进行过初始化，触发其父类的初始化
4. 虚拟机启动是，用户指定的包含main方法的主类，虚拟机会先初始化这个类
5. 当使用JDK 1.7 的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄锁对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

这5中场景中的行为称为对一个类进行主动引用，其他引用类的方法都不会触发初始化，称为被动引用。

对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化。通过子类引用父类中定义的静态变量，只会触发父类的初始化

对于接口，接口也有初始化过程，但对于第3种情况，接口并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候才会初始化。

类加载过程

加载

记载阶段，虚拟机的处理：
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。

针对第1条，并没有指定必须要从一个Class文件中获取二进制字节流。获取的源可以是
- ZIP包 JAR、EAR、WAR
- 网络 Applet
- 运行时计算生成 动态代理
- 其他文件生成 JSP
- 从数据库中读取

数组类

数组类的情况不同，数组类本身不通过类加载器创建，由Java虚拟机直接创建。数组类创建过程遵循的规则：
- 如果数组类的组件类型（Component Type，值的是数组去掉一个维度的类型）是引用类型，那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组C将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识
- 如果数组的组件类型不是引用类型，Java虚拟机会把数组C标记为与引导类加载器关联
- 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，那数组类的可见性将默认为public

验证

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

验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作
1. 文件格式验证 验证字节流是佛符合Class文件格式的规范，通过这个阶段，字节流会进入内存的方法区进行存储
2. 元数据验证 验证是否符合Java语言规范
3. 字节码验证 确定程序语义合法
4. 符号引用验证 对类自身以外的信息进行匹配性校验

验证阶段是重要但不一定必要的阶段。如果所运行的全部代码都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段可以考虑使用-Xverify:none参数管理大部分的验证措施，缩短虚拟机类加载的时间。

准备

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

仅分配类变量，而不分配实例变量，实例变量会在对象实例化时随对象分配在堆中。

对于非final类型的变量，仅会为变量设置初始值，即使在代码中写了赋值语句，也不会将其赋值。

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。

解析动作主要针对类、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。

初始化

初始化阶段，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。

()方法

()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的复制动作和static块中的语句合并昌盛的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的，静态语句块中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中可以赋值，但是不能访问

()方法与类的构造函数不同，它不需要显式的调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕。因此虚拟机中第一个被执行的()方法的类一定是java.lang.Object

父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。

()对于类和接口并不是必须的，如果类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以部位这个类生成()方法

执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法。只有当父类接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。接口的实现类在初始化时也不会执行接口的()方法

虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确的加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的()方法，其他线程都需要阻塞等待。

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，以便让应用程序需自己决定如何去获取锁需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

类与类加载器

对于任意一个类，都需要由加载它的类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。

如果两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那么这两个类是不相等的。

双亲委派模型

类加载器的分类

从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种式启动类加载器 Bootstrap ClassLoader，在Hotspot中这个类加载器使用C++实现，是虚拟机自身的一部分。另一种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，并且全部都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

从开发人员角度看，类加载器可以划分的更细一些：

启动类加载器 Bootstrap ClassLoader

负责将存放在 %JAVA_HOME%\\lib 目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，恒切实虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，那直接使用null代替即可。

扩展类加载器 Extension ClassLoader
这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，负责加载 %JAVA_HOME%\\lib\\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器

应用程序类加载器 Application ClassLoader
这个加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器时ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称其为系统类加载器。负责加载用户Classpath上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器。应用承重没有自定义类加载器的情况下，是默认的类加载器。

双亲委派模型

应用程序都是由3种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自定义的类加载器。这些加载器之间的关系一般为 自定义加载器 → 应用程序类加载器 → 扩展类加载器 → 自动类加载器。这种层次关系，称为类加载器的双亲委派模型。

双亲委派模型要求除了启动类加载器以外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的福字关系一般不会以继承 Inheritance 的关系实现，而是都使用组合 Composition 关系来复用父加载器的代码。

它不是一个强制性的约束模型，而是Java设计者推荐给开发者的一种类加载器实现方式。

双亲委派模型的工作过程

如果一个类加载器收到了类加载的请求，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的启动类加载器中，只有当附加在其反馈自己无法完成这个加载请求时（它的搜索范围中没有找到所需的类），子加载器才会尝试自己去加载。

使用双亲委派模型的好处是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。