虚拟机类加载机制详解

Posted 2020-10-08

 目录：

　　1.类加载的时机

　　2.类加载的过程

　　3.类加载器

 一、类加载的时机

　　类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载除内存为止，他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），这七个阶段的发生顺序如下图

　　

　　上图中，加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须要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语言的动态绑定。这些阶段通常是互相交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

　　对于加载而言，Java虚拟机规范中并没有进行强制约束，这一点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握

　　而对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要再此之前开始）：

　　　　1）遇到了new、getstatic、putstatic或invokestatic这4个字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令最常见的Java代码场景是:使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（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，以及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，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方法的类），虚拟机会先初始化这个主类。

　　　　5）当使用JDK1.7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，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

 二、类加载的过程

　　1.加载：

　　　　“加载”是“类加载”（Class loading）过程的一个阶段，希望大家不要混淆两个名词。在加载阶段，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

　　　　相较于类加载过程的其他阶段，一个非数组类的加载阶段（准确的说，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，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的累加器去完成，开发人员也可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式（即重写一个类加载气的loadClass（）方法）

　　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。

　　　　验证是虚拟机对自身保护的一项重要工作，验证阶段非常重要，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，从整体上看，验证阶段大致上会完成下面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、符号引用验证

　　　　1）文件格式验证：第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理，该验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面的3个验证阶段全部都是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流

　　　　2）元数据验证：第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求，这个阶段可能包含的验证点有：

　　　　　　这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）

　　　　　　这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）

　　　　　　如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法

　　　　　　类中的字段、方法是否与父类产生矛盾（例如，覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的方法重载，例如方法参数都一致，但返回值类型却不同等）

　　　　　　....

　　　　　　第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息

　　　　3）字节码验证：第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是通过数据流和控制流分析确定程序语义是合法的、符合逻辑的。在第二阶段是对元数据信息中的数据类型做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件

　　　　　  如果一个类方法体的字节码还没有通过字节码验证，那肯定是有问题的；但是如果一个方法体通过了字节码验证，也不能说明其一定就是安全的。

　　　　4）符号引用验证：最后一个阶段的教研发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段-—解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验，通常需要校验下列内容：

　　　　　　符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类

　　　　　　在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段

　　　　　　符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可以被当前类访问

　　　　　　....

　　　　　　符号引用验证的目的是确保解析动作能正常执行，如果无法通过符号引用验证，将抛出一个异常

　　　　　　对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要（因为对程序运行期没有影响）的阶段。

　　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，这些变量所使用的内存都将在方法区中分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先，这时候进行内存分配的尽包括类变量（被static修饰的变量），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，这里所说的初始值“通常情况下”是数据类型的零值

　　　　基本数据类型的零值：

数据类型	零值	数据类型	零值
int	0	boolean	false
long	0L	float	0.0f
short	（short）0	double	0.0d
char	‘\\u0000’	reference	null
byte	(byte)0

　　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

　　　　1.符号引用（Symbolic References）：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，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各不相同，但是他们能接受的符号引用必须都是一致的，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

　　　　2.直接引用（Direct References）：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个鞥你间接定位到目标的句柄。直接引用可以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的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，那引用的目标必定已经在内存中存在

　　5.初始化

　　　　类初始化阶段是类加载器过程的最后一步，前面的类加载器过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义的类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码）

　　　　在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者可以从另外一个角度去表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>（）方法的过程

 三、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叫做“类加载器”

　　1.类与类加载器：

　　　　类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。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命名空间。这句话可以表达的更加通俗一些：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这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，那这两个类就必定不相等

　　2.双亲委派模型

　　　　从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用c++实现，是虚拟机自身的一部分；另一种就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，并且全都集成自抽象类java.lang.ClassLoader

　　　　从Java开发人员角度来看，类加载器还可以分得再细致一些，绝大部分Java程序都会使用到以下三种系统提供的类加载器

　　　　1）启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）:这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME>\\lib目录中，或者被-Xbootclasspath参数所制定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会加载）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，需要把加载请求为派给引导类加载器，那直接使用null代替即可

　　　　2)扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器由sun.misc,Launcher$ExtClassloader实现，它负责加载<JAVA_HOME>\\lib\\ext,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

　　　　3)应用程序加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器

　　　　  我们的应用程序都是由这3种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，那还可以加入自己定义的类加载器。这些加载器的关系一般如下图：

　　　　　

　　　　上图展示的类加载器之间的这种层次关系，称为类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation Model）。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。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承（Inheritance）的关系的实现，而是都使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码

 补充：

　　参考：java虚拟机原理

　　本次博客是对java虚拟机原理的虚拟机类加载机制章节的总结与整理，想要深入学习本章详细知识点的可以去看此书的本章节