第7章 虚拟机类加载机制
第7章 虚拟机类加载机制
7.1 概述
- Java在程序运行期间进行类加载。
- Java 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，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。
- 与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同，在 Java 语言里面，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。
- Java 天生可以动态扩展的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。
7.2 类加载的时机
- 一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）七个阶段。其中验证、准备、解析三个部分统称为连接（Linking）。这七个阶段的发生顺序如图 7-1 所示。
- 加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类型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 语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）。
- 对于初始化阶段，《Java 虚拟机规范》严格规定了有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：
- 遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型 Java 代码场景是：1）使用new关键字实例化对象的时候；2）读取或设置一个类的静态字段（被 final 修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候；3）调用一个类型的静态方法的时候。
- 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
- 当初始化类的时候，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 JDK 7 新加入的动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果为 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial 四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
- 当一个接口中定义了 JDK 8 新加入的默认方法（被 default 关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。
- 对于这六种会触发类型进行初始化的场景，《Java 虚拟机规范》中使用了一个非常强烈的限定语：“有且只有”，这六种场景中的行为称为对一个类型进行主动引用。除此之外，所有引用类型的方式都不会触发初始化，称为被动引用（见如下三种）。
- 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
- 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。
- 接口与类真正有所区别的是前面讲述的六种“有且仅有”需要开始初始化场景中的第三种：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。
7.3 类加载的过程
Java 虚拟机中类加载的全过程，即加载、验证、准备、解析和初始化这五个阶段。
7.3.1 加载
- “加载”（Loading）阶段是整个“类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段，希望读者没有混淆这两个看起来很相似的名词。在加载阶段，Java 虚拟机需要完成以下三件事情：
- 通过一个类的全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。
- 加载阶段与连接阶段的部分动作（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的一部分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。
7.3.2 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《Java 虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。
- 验证阶段是非常重要的，这个阶段是否严谨，直接决定了 Java 虚拟机是否能承受恶意代码的攻击，从代码量和耗费的执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载过程中占了相当大的比重。
- 验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作：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。
- 该验证阶段的主要目的是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。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之后，这段字节流才被允许进入内 Java 虚拟机内存的方法区中进行存储，所以后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构上进行的，不会再直接读取、操作字节流了。
- 2、 元数据验证
- 第二阶段是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。
- 第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在与《Java 语言规范》定义相悖的元数据信息。
- 3、 字节码验证
- 第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是通过数据流分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。
- 如果一个类型中有方法体的字节码没有通过字节码验证，那它肯定是有问题的；但如果一个方法体通过了字节码验证，也仍然不能保证它一定就是安全的。即使字节码验证阶段中进行了再大量、再严密的检查，也依然不能保证这一点。
- 4、 符号引用验证
- 最后一个阶段的校验行为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）的信息进行匹配性校验，通常来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。
- 符号引用验证的目的是确保解析行为能正常执行，如果无法通过符号引用验证，Java 虚拟机将会抛出一个 java.lang.IncompatibleClassChangeError 的子类异常。
- 对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、但却不是必须要执行的阶段（因为验证阶段只有通过或者不通过的差别，只要通过了验证，其后就对程序运行期没有任何影响了）。如果程序运行的全部代码（都已经被反复使用和验证过，在生产环境的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。
- 1、文件格式验证
7.3.3 准备
- 为静态字段分配空间和零值。
- 准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被 static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。
- 这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），而不包括实例变量，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。这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。
7.3.4 解析
- 解析阶段是 Java 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（Symbolic References）：：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地定位到目标即可。
- 直接引用（Direct References）.：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。
- 《Java 虚拟机规范》之中并未规定解析阶段发生的具体时间。
- 对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情，除 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，譬如在运行时直接引用常量池中的记录，并把常量标识为已解析状态，从而避免解析动作重复进行。 - 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这7
类符号引用进行。
7.3.5 初始化
- 类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，之前介绍的几个类加载的动作里，除了在加载阶
段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由 Java 虚拟机来主导控制。直到初始化阶段，Java 虚拟机才真正开始执行类中编写的 Java 程序代码，将主导权移交给应用程序。
7.4 类加载器
- 把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流”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的类。实现这个动作的代码被称为“类加载器”（Class Loader）。
7.4.1 类与类加载器
- 对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在 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。这句话可以表达得更通俗一些：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 Java 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。
7.4.2 双亲委派模型
- 在Java虚拟机的角度来看，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap
ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现[1]，是虚拟机自身的一部分；另外一种就是其他所有的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立存在于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。 - 站在Java开发人员的角度来看，类加载器就应当划分得更细致一些。自JDK 1.2以来，Java一直保
持着三层类加载器、双亲委派的类加载架构：- 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：这个类加载器负责加载存放在<JAVA_HOME>\lib目录，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的，而且是Java虚拟机能够识别的（按照文件名识别，如rt.jar、tools.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机的内存中。
- 扩展类加载器（Extension Class Loader）：它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。由于扩展类加载器是由Java代码实现的，开发者可以直接在程序中使用扩展类加载器来加载Class文件。
- ·应用程序类加载器（Application Class Loader）：有些场合中也称它为“系统类加载器”。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所有的类库，开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。
- 图7-2中展示的各种类加载器之间的层次关系被称为类加载器的“双亲委派模型（Parents Delegation Model）”。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应有自己的父类加载器。不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承（Inheritance）的关系来实现的，而是通常使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。
- 双亲委派模型的工作过程是：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，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载。 - 使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是Java 中的类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。
- 双亲委派模型对于保证 Java 程序的稳定运作极为重要，但它的实现却非常简单。先检查请求加载的类型是否已经被加载过，若没有则调用父加载器的 loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。假如父类加载器加载失败，抛出 ClassNotFoundException 异常的话，才调用自己的 findClass() 方法尝试进行加载。
7.4.3 破坏双亲委派模型
- 双亲委派模型的第一次“被破坏”其实发生在双亲委派模型出现之前。面对已经存在的用户自定义类加载器的代码，Java设计者们引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协，为了兼容这些已有代码，无法再以技术手段避免 loadClass() 被子类覆盖的可能性，只能在 JDK 1.2 之后添加一个新的 protected 方法 findClass()，并引导用户编写的类加载逻辑时尽可能去重写这个方法，而不是在 loadClass() 中编写代码。
- 双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷所导致的。为了解决这个困境，Java 的设计团队只好引入了一个不太优雅的设计：线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过 java.lang.Thread 类的 setContext-ClassLoader() 方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。这是一种父类加载器去请求子类加载器完成类加载的行为，这种行为实际上是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器，已经违背了双亲委派模型的一般性原则，但也是无可奈何的事情。
- 双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的，这里所说的“动态
性”指的是一些非常“热门“的名词：代码热替换（Hot Swap）、模块热部署（Hot Deployment）等。OSGi 实现模块化热部署的关键是它自定义的类加载器机制的实现，每一个程序模块（OSGi 中称为 Bundle）都有一个自己的类加载器，当需要更换一个Bundle时，就把Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。在 OSGi 环境下，类加载器不再双亲委派模型推荐的树状结构，而是进一步发展为更加复杂的网状结构，当收到类加载请求时，OSGi 进行类搜索的查找顺序中只有开头两点仍然符合双亲委派模型的原则，其余的类查找都是在平级的类加载器中进行的。对这方面有了解的技术人员基本还是能达成一个共识，认为 OSGi 中对类加载器的运用是值得学习的，完全弄懂了 OSGi 的实现，就算是掌握了类加载器的精粹。
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