JVM-ClassLoader类加载器

目录

目标

what

JVM启动过程概述

loading and creation阶段

Linking 链接

initialization初始化

几个过程的关系图

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目标

详细介绍类加载器的3个阶段。

what

JVM 动态的loading加载 linking链接 initializing初始化 class and interfacese，其不是一次串行执行，而是分阶段触发的。

JVM启动过程概述

通过使用bootstrap class loader 加载和创建 初始化类initial class 的方式启动JVM，之后JVM链接并初始化这个类，并调用该类的public static void main方法。main方法将驱动后续的执行，执行main方法中的JVM指令，将引起JVM去加载链接初始化其他的类和接口。

loading and creation阶段

作用

加载与创建，输出Class object

概述

JVM通过[类或接口的全路径名称]＋[定义类加载器]找到对应的字节码表现形式(.class)，然后JVM使用字节码来创建classes和interfaces

前置知识

类或接口被加载的原因

类或接口C的创建，是其他的类或接口D触发的，即D在运行时使用C时。

• 运行时，D的code使用jvm指令直接调用常量池中有C的符号引用，引起D去解析C，
• 运行时，D通过JavaSE的反射机制加载C。

类/接口/数组是由谁创建的

• 类和接口是使用class loader加载其字节码进行加载创建的；
• 数组是JVM创建，不是加载器。

类加载器分两种

• 由JVM提供的bootstrap类加载器
• 用户定义的类加载器
  • 继承抽象类ClassLoader
  • 用于扩展JVM的动态加载；用于从特定的资源(如特定的package，network，加密文件等)中加载类；

定义类加载器与初始化类加载器

• 定义类加载器
  • 完成class C加载和定义的类加载器L，则L是C的定义类加载器
• 初始化类加载器
  • 参与class C的加载过程的所有类加载器，都称为C的初始化类加载器。

运行时，如何唯一确定类和接口

(类或接口C的全路径名N，定义类加载器L)

 

加载和创建全路径N关联的类或接口C的原则

C不是数组

使用用户定义类加载器进行类加载

• JVM判断L是否被记录为[由全路径N表示的类或接口C]的初始化类加载器,如果是则直接返回C；
• 否则JVM将调用L的loadClass方法,如果加载成功，JVM会记录L为C的初始化类加载器。
• 举例，loadClass默认实现(双亲委派)
  • 查询加载记录(findLoadedClass(name))，如果找到则直接返回C
  • 如果不是，则L委派给parent类加载器或bootstrap类加载器，如果成功加载C，则返回C；
  • 如果未加载到C，则L将在其负责的资源范围内进行加载，如果成功加载，则返回C；
  • 如果未加载，则抛出ClassNotFoundException。

使用bootstrap类加载器进行类加载

• JVM判断L是否被记录为[由全路径N表示的类或接口C]的初始化类加载器,如果是则直接返回C；
• 如果不是，则JVM调用bootstrap类加载器的方法，在OS的文件系统中搜索C的表现形式。找不到则抛出ClassNotFoundException。
• JVM通过找到的表现形式生成类或接口C

C是数组

由JVM直接创建数组class；在创建数组的过程中，数组成员类型T的定义类加载器将加载创建T。

• JVM判断L是否为[成员类型为T的数组class C]的初始化类加载器，如果是则直接返回C
• 如果成员类型T为引用类型，则使用L来加载T
• JVM将依据[成员类型T]和成员数量N来创建array class
• JVM记录L为成员类型T的初始化类加载器

 

class file如何派生出Class

• JVM判断L是否已经被记录为[由N表示的C]的初始化类加载器，如果是，则这个创建操作是非法的，抛出LinkedError
• JVM尝试解析C的class file表现形式
  • 如果不是class file结构，则抛出ClassFormatError
  • 如果class file的版本不在支持的范围内，则抛出UnSupportedClassVersionError
  • 如果表现形式并不能代表[N表示的C]，则抛出NotClassDefFoundError
• 如果C具有直接父类superclass，则通过superclass的符号引用去load和create父类；
• 如果C具有superinterfaces，则通过符号引用去load和create superinterface
• JVM标记C的定义类加载器为L，并记录L是C的初始化类加载器。

 

loadClass过程图示

 

Linking 链接

概述

JVM通过[验证verifying/准备preparing class或者interface以及superclass以及superinterface，(如果是数组calss的话，将包括元素类型)]，解决class或interface中的符号引用，将class或者interface组装到运行时run-time state，以便可以被执行。

Linking的过程涉及分配内存空间，可能引起OOM

步骤

verifying

验证字节码表现形式是否结构化正确。验证会引起其他的class或接口被load，但是不会去验证和准备它们。

preparing

创建类或接口的static field，使用系统默认值初始化static field

resolution 贯穿代码执行的持续性阶段

什么时候进行resolution?

class的初始化过程和方法执行时，某些jvm指令被执行，对指令使用的class或接口的符号引用进行解析。

指令：anewarray, checkcast, getfield, getstatic, instanceof, invokedynamic, invokeinterface, invokespecial, invokestatic, invokevirtual, ldc, ldc_w, multianewarray, new, putfield, and putstatic

详情

• 类或接口的解决方式，如D中引用了C
  • 使用D的定义类加载器来load和creat C
  • 如果C是数组且元素类型是引用类型，则使用D的定义类加载器来load和create该元素类型
  • 检查D对C的可访问性，可能抛出IllegalAccessError
• 域field的解决方式，如D中引用了C的field
  • 解决类或接口C
  • 遍历C以及super中的field
    • 在C声明的域中找到匹配的field
    • 否则从superinterface中匹配
    • 否则从superclass中匹配
    • 否则匹配失败， 抛出NoSuchFieldError
    • 如果找到field则检查可访问性，若不可访问则抛出IllegalAccessError
• 方法的解决方式，如D中引用了类C的method
  • 解决类或接口C
  • 检查C是类还是接口，若是接口，则抛出IncompatibleClassChangeError
  • 遍历C以及super中的method
    • C声明了一个相同名称的多态方法
    • C声明了一个具有相同名称和方法签名的方法
    • 如果C有superclass，则针对superclass进行3.1
    • 如果C有superinterface，则在superinterface中找
    • 如果找不到，则抛出NoSuchMethodError
    • 如果方法找到了，但是抽象方法，则抛出AbstractMethodError
    • 如果方法找到了，但是D不可以访问这个方式，则抛出IllegalAccessError

access control访问控制

D可访问C，需满足其中一个条件

• C是public
• C和D在同一个package中。

D可访问域或者方法R，需满足其中一个条件

• R是public
• R是protected且属于C，需要D是C的子类或者D＝C
• R是protected或默认访问性(包级别访问性)且属于C，需要D和C在同一个package中
• R是private且属于D

method overrided方法重写，类C的m1重写了类A的m2方法

C是A的子类，m1与m2具有相同的方法名称和方法声明(m1的访问性<=m2的访问性)

 

initialization初始化

概念

通过执行class或者interface的初始化方法<clinit>，来初始化class或者interface

‘类或者接口的初始化’的触发原因

• 引用了类或接口的JVM指令被执行：new/getstatic/putstatic/invokesatic
  • 执行new指令时，如果符号引用关联的类或接口没有被初始化过，则进行初始化。
  • 执行getstatic/putstatic/invokestatic时，声明了这个field或method的类如果没有被初始化，则进行初始化
• java.lang.invoke.MethodHandler实例的第一次调用
• 反射库中具体反射方法的调用
• 子类被初始化
• 作为JVM start-up的初始化类

JVM是多线程，如何保证同步的进行初始化呢？

• 已经完成验证和准备阶段的Class object，可能有如下4种状态

        Class object已经被检查和准备，未初始化
        Class object正在被某个具体线程进行初始化
        Class object已经初始化成功
        Class object处于错误状态，可能是初始化正在被执行或者失败

• 对一个具体的类或接口，会对应唯一的初始化锁LC；由JVM负责C与LC的关系；
• 初始化的步骤(指的不是类构造器)
  • 在LC上进行同步。当前线程在获取到LC之前会一直waiting
  • 如果Class object表明：其初始化正由另一个线程进行。则当前线程会release LC，然后等待被通知这个初始化过程已经完成，然后重复上一步骤。
  • 如果Class object表明：其初始化正由当前线程进行。则表明本次递归请求，则release LC并正常结束。
  • 如果Class object表明：其初始化已经完成了。则无后续动作，直接release LC并正常结束。
  • 如果Class object处于一个错误状态，则表示无法进行初始化，release LC并抛出NoClassDefFoundError
  • 上述情况都不成立的话，则记录下Class object的初始化正由当前线程执行，然后release LC
  • 按照在classfile中出现的顺序，使用常量数据初始化C中[final static field］
  • 递归的进行supercalss和superinterface的初始化过程(所以父类的static块优先执行)
  • 执行C的初始化方法<clinit>
  • 如果C的初始化方法正常完成，则获取LC，设置Class object已经初始化完毕，notify所有等待的线程，release LC，完成这个过程。
  • 如果C的初始化方法由于异常E而僵硬的完成，如果E不是error，则创建ExceptionInInitializerError，进行next step；如果E是OOM，则next step
  • 获取LC，设置Class object初始化失败，release LC

几个过程的关系图

 

类加载器--命名空间--共享访问--安全

• 每个类加载器都有一个独立的命名空间。
• 命名空间概念：虚拟机中存有加载器A的一张表，该表记录了将A视为初始类加载器的所有类型，该表极为A的命名空间。
• 在虚拟机中加载的类是唯一的，这须由加载器命名空间和类全路径名来一起作为限制。
• 类加载器采用双亲委派方式来使用合适的加载器进行加载工作。
• 真正进行加载工作的成为定义类加载器，而之前发起委派的以及定义类加载器都称为初始类加载器。
• 被加载的类A在其初始类加载器B,C,...中共享访问的。
• 加载类A后生成如下约束
  • 加载器B是类型A的初始类加载器，加载器C是类型A的初始类加载器，并且这两个类型A是同一个类型。当恶意添加某同名A类（可能输出重要数据）以及重写加载器B（或C）时，这个约束会发现当前加载器B加载的类A和之前加载类A不是一个类型，从而提示错误。如果没有该约束，那么A被加载，重要数据被输出。