虚拟机类加载机制

Posted 2020-11-20

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，就是虚拟机的类加载机制。

一. 类加载的时机

    加载、验证、准备、初始化和卸载这五个步骤的顺序是确定的。

    类的加载过程必须按这个顺序开始，而解析阶段在某些时候可以在初始化之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定。

    何时进行类加载过程的第一阶段：加载并没有进行强制约束，单对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5中情况下必须立即对类进行“初始化”：

        （1）遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果没有类进行过初始化，则需要先出发其初始化；

        （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，则需要先出发其初始化；

        （3）当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没进行过初始化，则需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。

        这5中场景中的行为称为对一个类进行主动引用。

        除以上5中场景外所有引用类的方式都不会触发初始化，被称为被动引用。

public class SuperClass {
/**
* 被动使用类字段演示：
* 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
*/
static {
System.out.println("SuperClass init! ");
}
public static int value = 123;
}
public class SubClass extends SuperClass {
static {
System.out.println("SubClass init! ");
}
}
/**
* 被动使用类字段演示三：
* 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化
*/
public class ConstantClass {
static {
System.out.println("ConstantClass init! ");
}
public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}
public class NotInitialization {
/**
* 非主动使用类字段演示
*/
public static void main(String[] args) {
//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
System.out.println(SubClass.value);
/**
* 被动使用类字段演示二：
*/
//通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化
SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
//非主动使用类字段演示
System.out.println(ConstantClass.HELLOWORLD);
}
}
运行结果：
SuperClass init!
123
hello world

    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

    通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化；

    常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化

二. 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，虚拟机需要完成3件事：

            -- 通过一个类的权限定名来获取定义此类的二进制字节流；

            --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；

            --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（类加载过程中非必须的）

        目的：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。

        1）文件格式验证（基于二进制字节流的验证）

            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。

            通过该阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储。所以后面三个验证阶段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（基于方法区的存储结构）

            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。即对元数据信息中的数据类型做检验。

        3）字节码验证

            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。

            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。

        4）符号引用验证（连接的第三阶段--解析阶段）

            发生在虚拟机将符号引用转换为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段--解析阶段中发生。

            可看作是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配校验。

    3.准备

        正式为类变量（static）分配内存并设置类变量初始值（零值）的阶段。这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

    4.解析

        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：以一组符号来描述所引用的目标。

                        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。

        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能直接定位到目标的句柄。

                        直接引用时和虚拟机实现的内存布局相关的。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

        类或接口解析、字段解析、类方法解析、接口方法解析

    5.初始化

        初始化时类加载过程的最后一步。初始化阶段才真正开始执行类中定义的Java程序代码（字节码）。

        初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

        <clinit>()方法：由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的。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，静态语句块只能访问到定义在静态语句块前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但不能访问。

        eg：非法向前引用

        

        <clinit>()方法与类的构造函数（<init>()）不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。

三. 类加载器

    通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流。实现这个动作的代码块称为类加载器。

    每个类加载器都拥有一个独立的类名称空间。比较两个类是否“相等（equals()、isAssignableFrom()、isInstance()、instanceof）”，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。

package jvm.classloader;
/**
* Created by Dong zhuying on 2018/6/6.
*/
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
/**
* 类加载器与instanceof关键字演示
*/
public class ClassLoaderTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//自定义的类加载器加载
ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
@Override
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
if (is==null) {
return super.loadClass(name);
}
byte[] b = new byte[is.available()];
is.read(b);
return defineClass(name, b, 0, b.length);
} catch (IOException e) {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
}
};

Object obj = myLoader.loadClass("jvm.classloader.ClassLoaderTest").newInstance();
System.out.println(obj.getClass());
System.out.println(obj instanceof jvm.classloader.ClassLoaderTest);
}
}
/**
* 运行结果：
* class jvm.classloader.ClassLoaderTest
* false
*/

四. 虚拟机字节码执行引擎

    1.运行时栈帧结构

        栈帧：用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构。是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈的栈元素。

        栈帧储存了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。