虚拟机类加载机制

Posted 2020-11-24 huih

虚拟机类加载机制

　　虚拟机吧描述类的数据从class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换、解析和初始化，最终形成可已被虚拟机直接使用的Java类型。

　　在Java语言里，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

　　类被加载到虚拟机后它的生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段。

　　虚拟机规范规定出现这5种情况必须对类进行初始化：

　　　　1）遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这四条字节码指令时，如果类没有进行初始化，则需先触发其初始化。生成这四条指令的最常见的Java代码是：使用new关键字实例化对象、读取或设置类的静态字段时、调用类的静态方法时。

　　　　2）使用Java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时，如果勒里没有进行初始化，则需先触发区初始化。

　　　　3）当初始化一个类时，如果发现其父类还没有被初始化，则需先触发其父类的初始化。

　　　　4）当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主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初始化，则需要先触发其初始化。

类加载的过程

　　1.加载：在加载阶段，虚拟机需要完成3件事情：

　　　　1）通过一个类的权限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。

　　一个非数组类的加载阶段是开发人员可控性最强的，因为加载阶段即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类加载器去完成（即重写一个类加载器的loadClass()方法）。

　　对于数组类，它是由Java虚拟机直接创建的，但是数组类的元素类型最终是要靠类加载器去创建，一个数组类创建过程遵循以下规则：如果数组的组件类型是引用类型，数组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虚拟机将会把数组标记为与引导类加载器关联。数组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，那数组的可见性将默认为Public。

　　加载完成后，虚拟机外部的二进制字节流按照虚拟机所需的格式存储在方法区中。

　　2.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，并不会危害虚拟机自身的安全。

　　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：目的就是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区中，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。此验证是基于二进制字节流进行的，只有痛过了这个阶段的验证后，字节流才能进入内存的方法区中存储。

　　　　2）元数据验证：主要目的是对类的元数据进行语义检验，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：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。

　　　　4）符号引用验证：对类自身以外的信息进行匹配性校验，目的是确保解析动作能正常执行。

　　3.准备：正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

　　4.解析：是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：是以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何型上司的字面量，只要使用时无歧义地定位到目标即可。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，但它们能接受的符号引用必须都是一致的。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间接定位到目标的句柄。直接引用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。

　　除了invokedynamic指令以外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存，从而避免解析动作重复进行。如果一个符号引用之前已经被成功解析过，那么后续的引用解析请求就一直成功。如果第一次解析失败了，那么其他指令对这个符号引用的解析请求也应该收到相同的异常。

　　解析主要是对类或接口、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。

　　5.初始化：是执行类构造器<client>()方法的过程。<client>()方法是由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并产生的。<client>()方法不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<client>()方法执行之前，父类的<client>()方法已经执行完毕。由于父类的<client>()方法先执行，因此父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。如果一个类中没有静态语句块，那么编译器可以不为这个类生成<client>()方法。接口和类一样都会生成<client>()方法，但执行接口的<client>()方法不需要先执行父接口的<client>()方阿飞。接口的实现类在初始化时不会执行接口的<client>()方法。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<client>()房啊，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<client>()方法完毕。

类加载器：就是通过一个类的权限定名来获取描述此类的二进制字节流这个动作的代码模块。

　　1.类与类加载器：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

　　　　1）类加载器的种类：

　　　　　　启动类加载器：负责将存放在<JAVA_HOME>lib目录中的或被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是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，如果需要把加载请求委托给引导类加载器，那直接使用null代替即可。

　　　　　　扩展类加载器：负责加载<JAVA_HOME>libext目录中或被java.ext.dirs系统变量所制定的路径中所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。

　　　　　　应用程序类加载器（系统类加载器）：负责加载用户路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器。

　　　　2）双亲委派模型的工作过程：如果一个类加载器受到了类加载请求，首先它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，因此所有的加载请求最终因该传送到顶层的启动类加载器中，只有父类加载器反馈自己无法完成这个请求时，子加载器才会尝试自己去加载。

　　　　实现双亲委派模型的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中，代码实现就是首先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法，若父类加载器为空则默认使用启动类加载器作为父类加载器。如果父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载。