JVM—虚拟机类加载机制

JVM—虚拟机类加载机制

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

与那些编译时需要进行连接工作的语言不同, 在Java语言中, 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, 这种策略虽然会令类加载时稍微增加一些性能开销, 但是会为Java应用程序提供高度灵活性

1.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(Loading),验证(Verification),准备(Preparation),解析(Resolution),初始化(Initialization),使用(Using)和卸载(Unloading)7个阶段. 其中验证, 准备, 解析3个部分统称为连接(Linking)

加载,验证,准备,初始化和卸载这五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, 而解析阶段则不一定 : 它 在某种情况下可以在初始化阶段之后再开始, 这时为了支持Java语言的运行时绑定(动态绑定)

对于初始化 阶段,虚拟机规范严格规定了有且只有5种情况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初始化, 则需要先触发其父类的初始化

• 4.当虚拟机启动的时候, 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.在使用动态语言支持时, 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, 则需要先出发其初始化

2.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,虚拟机需要完成以下3件事情 :

• 1.通过一个类的权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

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, 方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义. 然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象(并没有明确规定是在Java堆中,对于HotSpot虚拟机而言,Class对象比较特殊,它虽然是对象,但是存放在方法区里),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

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, 并不会危害虚拟机自身的安全

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

• 文件格式验证 : 这个阶段是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个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的, 不会再直接操作字节流
• 元数据验证 : 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. 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
• 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, 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时间
• 符号引用验证 : 最后一个阶段的校验发射鞥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. 符号验证的目的是确保解析动作能正常执行

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, 所使用内存都将在方法区中进行分配. 这时候进行内存分配的变量仅包括类变量(static修饰的变量), 而不包括实例变量.

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.

• 符号引用 : 以一组符号来描述所引用的目标
• 直接引用 : 可以直接指向目标的指针, 相对偏移量或是一个能简介定位到目标的句柄

对一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情, 除了invokedynamic之外, 虚拟机实现可以对第一次解析结果进行缓存(在运行时常量池中直接引用, 并把常量标识为已解析状态)

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.

5>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, 除了在加载用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外, 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

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指定的主观计划去初始化类变量和其他资源. 或者说 : 初始化阶段是执行类构造器 <clinit>()方法的过程

• <clinit>()方法是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.
• <clinit>()方法对类或接口来说不是必须的, 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, 但与类不同的是, 执行接口的 <clinit>()方法不需要先执行父接口的 <clinit>()方法. 只有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也不会执行接口的 <clinit>()方法
• 虚拟机会保证一个类的 <clinit>()方法在多线程环境下被正确的加锁, 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, 其他线程都需要阻塞等待, 直到活动线程执行 <clinit>()方法完毕

3.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. 实现这个代码的模块称为 “类加载器”.

1>类与类加载器

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名称空间. 其实, 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. 这里所指的"相等", 包括代表类的Class对象的equals()方法, isAssignableFrom()方法, isInstance()方法的返回结果, 也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况

2>双亲委派模型

从虚拟机的角度来讲, 只存在两种不同的类加载器 : 一是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader), 这个类加载器使用C++语言实现, 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, 并且都继承自抽象类java.lang.ClassLoader

类加载器可以划分的更细致一些, 绝大部分Java程序都会用到一下3种系统提供的类加载器

• 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader) : 负责将存放在 <JAVA_HOME>\lib目录中的, 活着呗-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, 用户在编写自定义类加载器时, 如果需要把加载请求委派给引导类加载器, 直接使用null代替即可
• 扩展类加载器(Extension ClassLoader) : 这个加载器负责加载 <JAVA_HOME>\lib\ext 目录中的, 或被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
• 应用程序类加载器(Application ClassLoader) : 这个类加载器是ClassLoader类中的getSystemClassLoader()方法的返回值, 所以一般也称他为系统类加载器

双亲委派模型: 除了顶层的启动类加载器外, 其余的类加载器都应该有自己的父类加载器

工作过程 :

• 1.如果一个类加载器收到了类加载的请求, 它首先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
• 2.每一个层次的类加载器都是如此, 因此, 所有的类加载请求最终都应传送到顶层的启动类加载器中
• 3.只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求时,子加载器才会尝试自己去加载

作用:
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虚拟机中的唯一性, 每一个类加载器, 都有一个独立的类名空间. 因此使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系, 类会随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系. 这样做可以使得, 同一个类在不同的类加载器环境下都是同一个类