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java虚拟机阅读笔记---虚拟机类加载机制

内容导读

互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了java虚拟机阅读笔记---虚拟机类加载机制，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含10852字，纯文字阅读大概需要16分钟。

内容图文

虚拟机类加载机制

代码编译结果从本地机器码转变为字节码，是存储格式发展的一小步，却是编程语言的一大步。

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，这就是虚拟机的类加载机制。

与那些在编译是需要进行连接的语言不同，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，这种策略虽然令类加载时稍微增加了一点性能开销，但是会为java应用程序提供高度的灵活性，java里天生可以动态扩展地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。

类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、和卸载七个阶段。其中验证、准备、解析3个部分称为连接。

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其中加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段不一定：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。

虚拟机规范对类什么时候进行初始化规定了有且只有一下5种情况必须立即对类进行初始化。

  • 遇到new 、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指定时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

  • 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。

  • 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。

  • 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。

  • 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种行为成为对一个类的主动引用，除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，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，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。

被动引用例子：

通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。

public class A{
    static {
        System.out.println("Superclass Init");
    }
    public static int value =123;
}
public class B extends A{
    static {
        System.out.println("Subclass Init");
    }
}
?
//非主动使用类字段演示
public class NotInitialzation{
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(B.value);
    }
}
?
//代码运行后只会输出'Superclass Init'

 

通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。

public class NotInitialzation{
    A[] a = new A[10];
}
//结果没有输出Superclass Init

 

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 Constclass{
    static {
        System.out.println("ConstClass Init");
    }
    public static final String HELLOWORLD = "Hello world";
}
?
//非主动使用类字段演示
public class NotInitialization{
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(Constclass.HELLOWORLD);
    }
}

代码运行后也没有输出“ConstClass Init。因为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“存储到了NotInitialization类的常量池中，以后NotInitialization对Constclass.HELLOWORLD的引用实际都被转化为NotInitialization类对自身常量池的引用了。

类加载过程的详细解读

加载

在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：

  1. 通过一个类的全限定名来获取定义词类的二进制字节流。

  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结构的访问入口。

     

这三点要求不算具体，在jvm实现时灵活度很大。例如上面的第一条，它没有指明二进制字节流要从一个Class文件中获取，准确地说没有指明要从哪里获取、怎样获取。这也为许多Java技术提供了基础，例如：

  • 从ZIP包读取，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是Applet。

  • 运行时计算生成，这种场景使用得最多得就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass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，即由JSP文件生成对应的Class类。

  • 从数据库读取，这种场景相对少见，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。

非数组类的加载

相对于类加载过程的其他阶段，一个非数组类的加载阶段（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，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器完成，也可以由用户自定义的类加载器完成，通过自定义类加载器去控制字节流的获取方式，即重写一个类加载器的loadClass()方法。关于类加载器的内容将在系列的下一篇文章中介绍。

数组类的加载

数组类本身不通过类加载器创建，它是由jvm直接创建的。但数组类的元素类型（Element Type，指的是数组去掉所有维度的类型）最终是要靠类加载器去创建，一个数据类C的创建过程遵循以下规则：

  • 如果数组的组件类型（ComponentType，指的是数组去掉一个维度的类型）是引用类型，就递归采用本节中定义的加载过程去加载此组件类型，数组类将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识（这很重要，在下一篇文章中会讲到，一个类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），Java虚拟机将会把数组类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。

加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，方法区的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象（并无明确规定是在Java 堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽是对象，但存放在方法区里），这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。

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。

从整体上看，验证阶段大致会完成下面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。这一阶段可能包括下面这些验证点：

  • 是否以魔数0xCAFEBABE开头。

  • 主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内

  • 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型（tag标志）。

  • 指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量。

  • Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。 ……

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，字节流才会进入方法区中进行存储，所以后面的3个验证阶段全部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（即类的元数据信息）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。例如下面这些验证点：

  • 该类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应有父类）

  • 该类的父类是否继承了不允许被继承的类（final修饰的类）

  • 若此类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法 ……

该阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义检验，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

第三阶段的主要目的是进行数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验之后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，以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行为。例如：

  • 保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作。

  • 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。

  • 保证方法体中类型转换是有效的，例如子类对象可以赋值给父类数据类型，但父类对象赋值给子类数据类型是危险和不合法的。 ……

4. 符号引用验证

最后一个阶段的校验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。

  • 指定的类中是否存在符合描述符与简单名称描述的方法与字段。

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

符号引用的目的是确保解析动作能正常执行。

对于jvm的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要但不是一定必要（因为对运行期没有影响）的阶段。如果所运行的全部代码都已经被反复验证过，那么在实施阶段就可以考虑使用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

准备

准备阶段是正式为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进行分配。这个阶段有两个容易产生混淆的概念。

这时候进行内存分配的仅包括类变量，而不包括实际变量，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，这里说的初始值通常情况下是数据类型的零值。

解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替代为直接引用的过程。

符号引用：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的定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定已经加载到内存中。

直接引用：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移来听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是相关的。如果有了直接引用，那么引用的目标必定已经在内存中。

对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的，除 invokedynamic 指令外（ invokedynamic指令是用于动态语言支持的，它所对应的引用称为“动态调用点限定符”，必须等到程序实际运行到这条指令的时候，解析动作才能进行）虚拟机实现可能会对第一次解析的结果进行缓存（将直接引用保存在运行时常量池中），无论是否真正执行了多次解析动作，虚拟机实现必须保证在同一个实体中，如果一个符号引用之前已经被成功解析过，后续的引用解析请求就应当一直成功，反之亦然。

解析动作主要针对类或接口、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。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与外，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。

初始化阶段是执行类构造器<clinit()>方法的过程。

  • <clinit> () 方法是有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的（static{}）中的语句合产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件出现的顺序所决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问。例如以下代码：

    public class Test{
    static {
        i=0；    //给变量赋值可以正常编译
        System.out.print(i);  //这句编译器会提示 “非法向前引用"
    }
    static int i =1;
}
        

  • <clinit>()方法与类的构造函数（或者说实例方法<init>()方法）不同，它不需要显示得调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()方法已执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法一定是java.lang.Object

  • 由于父类的<clinit>（）方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作，如下代码所示，字段B的值将会是2而不是1

    static class C{
    public static int A =1;
    static{
        A = 2;
    }
}
?
static class D extends C{
    public static int B = A;
}
?
public static void main(String[] args){
    System.out.println(D.B);
}

  • <clinit> () 方法对于类或接口不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成<clinit>() 方法。

  • 接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，执行接口的<clinit> () 方法不需要先执行父接口的<clinit>() 方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时一样不会执行接口的<clinit>（）方法。

  • 虚拟机会保证一个类的<clinit>() 方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>（）方法完毕。如果一个类的<clinit>() 方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程的阻塞，在实际中此种阻塞是很隐蔽的。

参考资料

内容总结

以上是互联网集市为您收集整理的java虚拟机阅读笔记---虚拟机类加载机制全部内容，希望文章能够帮你解决java虚拟机阅读笔记---虚拟机类加载机制所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。

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来源：【匿名】