虚拟机类加载机制

什么是类加载?

虚拟机把类的数据从Class文件(二进制字节流)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数据类型。

类加载的生命周期

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)。

类加载的时机

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,而解析阶段则不一定:它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始,就是为了支持Java语言的运行时绑定(也成为动态绑定或晚期绑定)。注意这里写的是“开始”,而不是“进行”或“完成”,强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行的,通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另一个阶段。

加载这个阶段Java虚拟机规范中并没有进行强制约束,这是由虚拟机的具体实现决定的。但是对于初始化阶段,虚拟机规范则是严格规定了==有且只有5中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4条字节码指令时,如果类没有进行过初始化,则需要先出发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是:使用new关键字实例化对象的时候、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中)的时候,以及调用一个类的静态方法的时候。
  • 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。

对于这5种会触发类进行初始化的场景,虚拟机规范中使用了一个很强烈的限定语:“有且只有”,这5种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。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。

下面是被动引用的例子:

public class SuperClass {
    public static int value = 123;
    static {
        System.out.println("SuperClass init!");
    }
}
public class SubClass extends SuperClass {
    static {
        System.out.println("SubClass init!");
    }
    public static final String HELLOWORLD = "helloworld";
}
public class NotInitialization1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}
public class NotInitialization2 {
    public static void main(String[] args) {
        SubClass[] arr = new SubClass[10];
    }
}
public class NotInitialization3 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.HELLOWORLD);
    }
}
  • NotInitialization1启动后输出SuperClass init!和123,说明没有触发SubClass这个类的初始化,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。至于是否要触发子类的加载和验证,在虚拟机规范中并未明确规定,这点取决于虚拟机的具体实现。对于HotSpot虚拟机来说,可以通过-XX:TraceClassLoading或-verbose观察到此操作会导致子类的加载。
  • NotInitialization2启动后什么也没输出,说明没有触发SubClass的初始化,但是这段代码里面会触发了另外一个名为“[Ltystudy.javabasic.classloader.SubClass”的类的初始化阶段,对于用户代码来说,这并不是一个合法的类名称,它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承于Object的子类,创建动作由字节码指令newarray触发。
  • NotInitialization3启动后输出helloworld,说明没有触发SubClass这个类的初始化,因为引用的是SubClass的常量,但其实在编译阶段通过常量传播优化,已经将此常量的值“helloworld”存储到了NotInitialization3的常量池中,以后NotInitialization3对常量SubClass.HELLOWORLD引用实际上都被转化为NotInitialization3类对自身常量池的引用了。也就是说,实际上NotInitialization3的Class文件之中并没有SubClass类的符号引用了,这两个类在编译成Class之后就不存在任何联系了。

类与接口的Class初始化有什么区别?

接口的加载过程与类加载过程稍有一些不同,针对接口需要做一些特殊说明:接口也有初始化过程,这点与类是一致的,上面的代码都是用静态语句块来输出初始化信息的,而接口中不能使用静态块,但编译器仍然会为接口生成类构造器,用于初始化接口中所定义的静态常量。接口与类真正有所区别的是前面讲述的5种“有且只有”需要开始初始化场景的第3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。

类加载过程中的加载阶段做了什么事?

普通类:

  • 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。获取的方式和位置可以任意,比如压缩文件、网络、动态生成、jsp、数据库等等。
  • 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。

数组类:

对于数组类而言,情况有所不同,数组类本身不通过类加载器创建,它是有Java虚拟机直接创建的。但是数组类与类加载器仍然有很密切的关系,因为数组类的元素类型最终是要靠加载器去创建,一个数组类创建过程就遵循以下规则:

  • 如果元素类型是引用类型,那就递归采用普通类加载的方式去加载这个元素类型,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。
  • 如果数组的元素类型不是引用类型(如果int型数组),Java虚拟机将会把数组标记为与引导类加载器关联。
  • 数组类的可见性与它的元素类型的可见性一致,如果元素类型不是引用类型,那数组类的可见性将默认为public。

加载阶段与连接阶段的部分内容(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内容,这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

类加载过程中的验证阶段做了什么事?

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,验证大致上会完成下面4个阶段的检查动作: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

验证字节码是否符合Class文件格式的规范,并且能被当前版本的虚拟机处理:

  • 是否以魔数0xCAFEBABE开头
  • 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内
  • 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型(检查常量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。
  • CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。
  • 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,字节流才会进入内存的方法去中进行存储,所以后面的3个验证阶段全部是基于方法去的存储结构进行的,不会再直接操作字节流。

  1. 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:

  • 这个类是否有父类(除了java.lang.Object之外,所有类都应当有父类)
  • 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类(被final修饰的类)
  • 如果这个类不是抽象类,是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法。
  • 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾(例如覆盖了父类的final字段,或者出现不符合规则的方法重载,例如方法参数都一直,但返回类型却不同等)。
  • 。。。。
  1. 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。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后,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事件,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,例如不会出现类似这样的情况:在操作数栈防止了一个int类型的数据,使用时却按long类型来加载到本地变量表中。
  • 保证跳转指令不会跳转到方法体意外的字节码指令上。
  • 保证方法体中的类型转换是有效的,例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型,这是安全的,但是把父类对象赋值给子类数据类型,甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个数据类型,则是危险和不合法的。
  • 。。。。
  1. 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个阶段——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。
  • 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段。
  • 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。
  • 。。。。

类加载过程中的准备阶段做了什么事?

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,这些变量所使用的内存都将在方法去中进行分配。首先,这里的内存分配仅包括类变量(static修饰的变量),其次,这里所说的初始值对于非final修饰的变量是数据类型的零值,如果是static final的则直接初始化为指定的常量。

// 准备阶段被赋值为0,而把value赋值为123的putstatic指令是程序别编译后,
// 存放于类构造器()方法之中,所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。
public static int value = 123;
// 准备阶段被赋值为123
public static final int value = 123;

类加载过程中的解析阶段做了什么事?

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,符号引用在Class文件中以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现。

虚拟机规范之中并未规定解析阶段发生的具体时间,只要求了在执行anewarray、checkcase、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield和putstatic这16个用于操作符号引用的字节码指令之前,先对他们所使用的符号引用进行解析。所以虚拟机实现可以根据需要判断到底是再类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析,还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它。

此处省略。。。 参考深入理解java虚拟机第220页

什么是符号引用和直接引用?

  • 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。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(Direct References):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。直接引用适合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存在。

类加载过程中的初始化阶段做了什么事?

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,除了加载阶段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(或者说是字节码)。

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制定的助管计划去初始化类变量和其他资源,或者可以从另外一个角度来表达:初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。关于()方法的运行行为的特点和细节:

  • ()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中语句合并产生的,编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的,静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量,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。

    public class MyTest3 {
        static {
            i = 1; // 可以访问赋值,但不能访问定义在静态块之后的变量
            System.out.println(i); // 这里编译报错"Illegal forward reference"非法向前引用
        }
        static int i =0;
    }
    
  • ()方法与类的构造函数(或者说实例构造器()方法)不同,它不需要显式地调用父类构造器,虚拟机会保证在子类的()方法执行之前,父类的()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的()方法的类肯定是java.lang.Object。

  • 由于父类的()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。

  • ()方法对于类或接口来说并不是必须的,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()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,因此接口与类一样都会生成()方法。但接口与类不同的是,执行接口的()方法不需要先执行父接口的()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也一样不会执行接口的()方法。

  • 虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确的加锁、同步,如果多个线程同时去初始化一个类,那么只会有一个线程去执行这个类的()方法,其他线程都需要阻塞等待,知道活动线程执行()方法完毕。如果在一个类的()方法中有耗时很长的操作,就可能造成多个进程阻塞,在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

    public class MultiThreadInitClass {
        static class ForeverSleepClass {
            static {
                try {
                    TimeUnit.DAYS.sleep(Integer.MAX_VALUE);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            Runnable task = () -> {
                System.out.println("start");
                new ForeverSleepClass();
                System.out.println("end");
            };
            new Thread(task, "test-thread-1").start();
            new Thread(task, "test-thread-2").start();
        }
    }
    

什么是类加载器?

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,以便让程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

类加载器的作用

类加载器虽然只用于实现类的加载动作,但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。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命名空间。也就是说,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,只要加载他们的类加载器不同,那这两个类就必定不相等。

这里所指的相等,包括类的Class对象的equals方法、isAssignableFrom方法、isInstance方法的返回结果,也包括instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。

public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        MyClazz myClazz = new MyClazz();
        // sun.misc.Launcher$AppClassLoader@58644d46
        System.out.println(myClazz.getClass().getClassLoader());

        ClassLoader myClassLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
                    InputStream in = this.getClass().getResourceAsStream(fileName);
                    if(in == null) {
                        return super.loadClass(name);
                    }
                    byte[] b = new byte[in.available()];
                    in.read(b);
                    return this.defineClass(b, 0, b.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException();
                }
            }
        };

        Object obj = myClassLoader.loadClass("tystudy.javabasic.classloader.MyClazz").newInstance();
        // class tystudy.javabasic.classloader.MyClazz
        System.out.println(obj.getClass());
        // tystudy.javabasic.classloader.ClassLoaderTest2$1@610455d6
        System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
        // false
        System.out.println(obj instanceof MyClazz);

    }
}

上面的代码中,因为虚拟机中存在了两个MyClazz类,一个由AppClassLoader加载,另一个由自定义的类加载器加载,虽然都来自同一个Class文件,但依然是两个独立的类,做对象所属类型检查时结果自然为false。

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