JVM类加载机制

Posted 2020-12-10 toutou

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。与那些在编译时需 要进行连接的语言不同，在Java语言里面，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，这种策略让Java语言进行提前编译会面临额外的困难，也会让类加载时稍微增加一些性能开销， 但是却为Java应用提供了极高的扩展性和灵活性，Java天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动 态加载和动态连接这个特点实现的。例如，编写一个面向接口的应用程序，可以等到运行时再指定其 实际的实现类，用户可以通过Java预置的或自定义类加载器，让某个本地的应用程序在运行时从网络 或其他地方上加载一个二进制流作为其程序代码的一部分。这种动态组装应用的方式目前已广泛应用 于Java程序之中，从最基础的Applet、JSP到相对复杂的OSGi技术，都依赖着Java语言运行期类加载才 得以诞生。

v类加载的时机

一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历加载 （Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化 （Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分统称 为连接（Linking）。如下图：

如上图，加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类型的加载过程必须按 照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始， 这是为了支持Java语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）。请注意，这里笔者写的是 按部就班地“开始”，而不是按部就班地“进行”或按部就班地“完成”，强调这点是因为这些阶段通常都 是互相交叉地混合进行的，会在一个阶段执行的过程中调用、激活另一个阶段。

关于在什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段“加载”，《Java虚拟机规范》中并没有进行 强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，《Java虚拟机规范》 则是严格规定了有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之 前开始）：

(1)遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始 化，则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型Java代码场景有：

• 使用new关键字实例化对象的时候。
• 读取或设置一个类型的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外） 的时候。
• 调用一个类型的静态方法的时候。

(2)使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需 要先触发其初始化。

(3)当初始化类的时候，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()方法的那个类），虚拟机会先 初始化这个主类。

(5)当使用JDK 7新加入的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解 析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句 柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

(6)当一个接口中定义了JDK 8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果有 这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

对于这六种会触发类型进行初始化的场景，《Java虚拟机规范》中使用了一个非常强烈的限定语 ——“有且只有”，这六种场景中的行为称为对一个类型进行主动引用。除此之外，所有引用类型的方 式都不会触发初始化，称为被动引用。下面举三个例子来说明何为被动引用，分别见代码清单7-1、代 码清单7-2和代码清单7-3。

代码清单7-1 被动引用的例子之一

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上述代码运行之后，只会输出“Super-Class init.”，而不会输出“Node-class init.”。对于静态字段， 只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发 父类的初始化而不会触发子类的初始化。至于是否要触发子类的加载和验证阶段，在《Java虚拟机规 范》中并未明确规定，所以这点取决于虚拟机的具体实现。对于HotSpot虚拟机来说，可通过-XX： +TraceClassLoading参数观察到此操作是会导致子类加载的。

代码清单7-2 被动引用的例子之二

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这段代码复用了代码清单7-1中的SuperClass，运行之后发现没有输出“Super-Class init.”，说明并没有触发类com.toutou.sample.book.SuperClass的初始化阶段。但是这段代码里面触发了 另一个名为“[com.toutou.sample.book.SuperClass”的类的初始化阶段，对于用户代码来说，这并不是 一个合法的类型名称，它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承于java.lang.Object的子类，创建动作由 字节码指令newarray触发。

这个类代表了一个元素类型为com.toutou.sample.book.SuperClass的一维数组，数组中应有的属性 和方法（用户可直接使用的只有被修饰为public的length属性和clone()方法）都实现在这个类里。Java语 言中对数组的访问要比C/C++相对安全，很大程度上就是因为这个类包装了数组元素的访问[1]，而 C/C++中则是直接翻译为对数组指针的移动。在Java语言里，当检查到发生数组越界时会抛出 java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常，避免了直接造成非法内存访问。

代码清单7-3 被动引用的例子之三

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上述代码运行之后，也没有输出“Const-Class init.”，这是因为虽然在Java源码中确实引用了ConstClass类的常量HELLO，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值“hello world.”直接存储在NotInitialization类的常量池中，以后NotInitialization对常量 ConstClass.HELLO 的引用，实际都被转化为NotInitialization类对自身常量池的引用了。也就是 说，实际上NotInitialization的Class文件之中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译成 Class文件后就已不存在任何联系了。

接口的加载过程与类加载过程稍有不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口也有初始化过程， 这点与类是一致的，上面的代码都是用静态语句块“static{}”来输出初始化信息的，而接口中不能使 用“static{}”语句块，但编译器仍然会为接口生成“()”类构造器[2]，用于初始化接口中所定义的 成员变量。接口与类真正有所区别的是前面讲述的六种“有且仅有”需要触发初始化场景中的第三种： 当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，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（如引用接口中定义的常量）才会初始 化。

v类加载的过程

接下来我们会详细了解Java虚拟机中类加载的全过程，即加载、验证、准备、解析和初始化这五 个阶段所执行的具体动作。

? 2.1 加载

“加载”（Loading）阶段是整个“类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段，希望读者没有混淆 这两个看起来很相似的名词。在加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情：

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。

《Java虚拟机规范》对这三点要求其实并不是特别具体，留给虚拟机实现与Java应用的灵活度都是 相当大的。例如“通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流”这条规则，它并没有指明二 进制字节流必须得从某个Class文件中获取，确切地说是根本没有指明要从哪里获取、如何获取。仅仅 这一点空隙，Java虚拟机的使用者们就可以在加载阶段搭构建出一个相当开放广阔的舞台，Java发展历 程中，充满创造力的开发人员则在这个舞台上玩出了各种花样，许多举足轻重的Java技术都建立在这 一基础之上，例如：

• 从ZIP压缩包中读取，这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。
• 从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Web Applet。
• 运行时计算生成，这种场景使用得最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用 了ProxyGenerator.generateProxyClass()来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流。
• 由其他文件生成，典型场景是JSP应用，由JSP文件生成对应的Class文件。
• 从数据库中读取，这种场景相对少见些，例如有些中间件服务器（如SAP Netweaver）可以选择 把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。
• 可以从加密文件中获取，这是典型的防Class文件被反编译的保护措施，通过加载时解密Class文 件来保障程序运行逻辑不被窥探。
• ......

相对于类加载过程的其他阶段，非数组类型的加载阶段（准确地说，是加载阶段中获取类的二进 制字节流的动作）是开发人员可控性最强的阶段。加载阶段既可以使用Java虚拟机里内置的引导类加 载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员通过定义自己的类加载器去控制字节 流的获取方式（重写一个类加载器的findClass()或loadClass()方法），实现根据自己的想法来赋予应用 程序获取运行代码的动态性。

对于数组类而言，情况就有所不同，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接在 内存中动态构造出来的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型（ElementType，指的是数组去掉所有维度的类型）最终还是要靠类加载器来完成加载，一个数组类（下面简称 为C）创建过程遵循以下规则：

• 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，注意和前面的元素类 型区分开来）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将被标 识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上（这点很重要，在7.4节会介绍，一个类型必须与类加 载器一起确定唯一性）。
• 如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组的组件类型为int），Java虚拟机将会把数组C 标记为与引导类加载器关联。
• 数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致，如果组件类型不是引用类型，它的数组类的 可访问性将默认为public，可被所有的类和接口访问到。

加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中 了，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义，《Java虚拟机规范》未规定此区域的具体 数据结构。类型数据妥善安置在方法区之后，会在Java堆内存中实例化一个java.lang.Class类的对象， 这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口。

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。

v博客总结

特别声明：本文非原创/非商用，只为记录读书笔记。全篇绝大部分内容(偶尔会加入一些博主读后感)摘抄自《深入理解Java虚拟机（第3版）》，阅读原文，请购买正版书籍。