《深入理解JAVA虚拟机（第2版）》- 第7章 - 学习笔记

news2024/9/20 18:34:14

第7章 虚拟机类加载机制

7.1 概述

  1. 类的加载机制是：虚拟机将描述类的数据从Class文件中读取到内存中，再对这些数据进行检验、转换解析、初始化，最终生成一个可以被虚拟机直接使用的数据类型。
  2. 之所以称Java是动态加载和动态连接，是因为Java的加载、解析、初始化都是在运行期完成的。从简单的Applet、Jsp到复杂的OSGI，都是使用了动态加载这个特性。

7.2 类的加载时机

  1. 类的生命周期是：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。其中验证、准备、解析这三个阶段统称为连接。

  2. 加载、验证、准备、初始化、卸载这五个阶段的顺序是确定的，类的加载必须按着这种顺序按部就班的开始，只有解析阶段不一定，它可以在初始化之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或动态绑定）。

  3. Java虚拟机规范中规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”（在此之前加载、验证、准备必须已经完成），这5种情况中的行为称为对类的主动引用。

    这5种情况分别是，如下：

    1. 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，则需要先触发其初始化。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除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
    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. 当一个类被初始化的时候，它的父类都要已经初始化完成了。
    4. 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。
    5. 当使用JDK 1.7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。

  4. 除了主动引用中的那5种情况以外，其他所有引用类的方式都无法触发初始化，称为被动引用。

    以下举出几个例子来说明什么是被动引用：

    1. 对于静态字段，只有直接定义了这个字段的类才会被初始化，通过子类来引用父类定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不是子类的初始化。
    2. 我们定义一个类的数组，例如：User[] users = new User[10]，此时并不会触发User类的初始化，虚拟机会自动生成一个User对应的数组类，该类会被初始化。
    3. 常量字段（被final修饰的字段）会在编辑阶段存入调用类的常量池中，本质上被没有引用定义该常量的类，因此也就不会触这个类的初始化。

与类不同，接口初始化的时候并不要求它的父接口都要先被初始化，只有真正直接用到了父接口的时候（例如：引用父接口定义的常量），才会触发父接口的初始化。

7.3 类的加载过程

7.3.1 加载
  1. 加载阶段要完成以下3件事情：
    1. 根据类的全限定名找到对应的二进制字节流。
    2. 将二进制字节流中的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构。
    3. 在内存生成一个该类对应的java.lang.Class对象，作为方法区该类的引用。
  2. 数组不是由类加载器创建的，而是又虚拟机创建的，作为数组元素的类还是通过类加载器来创建的。
  3. 用来代表类的java.lang.Class对象并没有明确固定存放在堆中，对HotSpot虚拟机来说它比较特殊，它虽然是对象，但是是存放在方法区中的。
7.3.2 验证
  1. 验证阶段是为了确保Class文件的二进制字节流包含的信息符合当前虚拟机的要求，不会对虚拟机的运行造成安全隐患。之所以要有该阶段，是因为Class文件不一定都是Java代码生成的。
  2. 验证阶段大致分为文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证这4个验证。

    1. 文件格式验证

      • 验证二进制字节流是否符合Class文件格式的要求，是否可以被当前版本的虚拟机处理。
      • 注意文件格式验证是针对的二进制字节流，这个验证通过后，二进制字节流会被存放到方法区中，后边的元数据验证、字节码验证、符号引用验证均是对方法区中的数据结构进行操作，而不再是二进制字节流了。

    2. 元数据验证

      对字节码描述的信息进行语义分析，确保其符合Java语言规范。可以理解为对数据类型进行验证。

    3. 字节码验证

      通过对数据流和控制流进行分析，确保程序语义合法、符合逻辑。可以理解为对方法体进行验证。

    4. 符号引用验证

      • 用来确保解析阶段（即符号引用转换为直接引用）能够顺利执行。
      • 符号引用验证发生在将符号引用转换为直接引用的时候，即连接中的解析阶段。
7.3.3 准备
  1. 准备阶段是为类变量分配内存并设置初始化值，这些变量所使用的内存都是在方法区分配的。
  2. 注意准备阶段只为类变量分配内存和设置初始化值，不包括实例变量。
  3. 准备阶段设置的初始化值通常情况下是类型的零值，例如：​​public static int value = 123，value在准备阶段的初始化值是0而不是123。相对于通常情况，如果value被final关键字修饰后，例如：public static final int value = 123，此时value在准备阶段的初始值就为123。
7.3.4 解析
  1. 解析阶段是将常量池中的符号引用转换为直接引用的过程。
  2. 符号引用：
    • 符号引用就是用一组符号来描述所引用的目标。
    • 符号引用与虚拟机实现的内存布局无关。
    • 符号引用的目标不一定已经加载到内存当中了。
  3. 直接引用
    • 直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者能够间接定位到目标的句柄。
    • 直接引用与虚拟机实现的内存布局有很大关系，所以相同符号引用在不同的虚拟机中对应的直接引用也不同。
    • 直接引用的目标肯定已经加载到内存当中了。
7.3.5 初始化

  1. 初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。

  2. ()方法是由编译器自动收集类变量赋值语句和static语句块中的语句而生成的。

  3. 在static语句块中，可以给它之后的定义的变量赋值，但是不能访问，如下：

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

  4. 类构造器的<client>()方法与实例构造器的<init>()方法不同，子类可以不需要显示的调用父类构造器的<client>()方法，虚拟机会保证在调用子类的<client>()方法之前先调用父类的<client>()方法。

  5. 由于父类的<client>()方法要先于子类的<client>()方法执行，也就是父类的静态语句块要优先与子类的类变量赋值操作，示例代码如下：

    ​​static class Parent {
    public static int A = 1;
	    static {
	        A = 2;
    }
}
	
​​static class Sub extends Parent {
    public static int B = A;
}
	
​​public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Sub.B);  // 这里输出的是2而不是1
}​​

  6. 类构造器的<client>()方法不是必须的，如果一个类或接口，没有static语句块，也没有静态变量的赋值语句，那么编译器就可以不为这个类生成<client>()方法。

  7. 对于接口来说，虽然没有静态语句块，但是可以在接口中定义静态变量，所以接口一样会有<client>()方法，但是与类的<client>()方法不同，父接口的<client>()方法没有必要在子接口的<client>()方法之前执行。

    只有真正使用到接口的时候，例如：引用接口定义的类变量，接口才会被初始化。

    类初始化的时候也不会触发执行所实现接口的<client>()方法。

7.4 类加载器

  1. 确定类在虚拟机中的唯一性，需要两个要素：类本身和加载它的类加载器。每一个没加载器，都有一个独立的类命名空间。
  2. 绝大多数Java程序会用到下边3中类加载器：
    1. 启动类加载器：JVM的一部分，采用C++实现，用来加载JAVA_HOME/lib下的类库，例如：rt.jar
    2. 扩展类加载器：用来加载JAVA_HOME/lib/ext下的类库。开发者可以直接使用该类加载器
    3. 应用程序类加载器：也称为系统类加载器，用来加载用户路径（CLASS_PATH）下的类库，如果应用程序没有自定义类加载器，一般情况下这个应用程序类加载就作为默认的类加载器。
  3. 双亲委派模型
    类加载器的双亲委派模型如下：
    在这里插入图片描述
    1. 双亲委派模型是用来描述类加载器之间的层次关系。
    2. 双亲委派模型的工作过程是：当一个类加载器收到某类的加载请求的时候，会将该请求委派给它的父类加载器，逐层委派，直到启动类加载器，只有当父类加载器无法加载的时候，子类加载器才会自己尝试加载。
    3. 打破双亲委派模型的几种情况：
      • OSGI：每个Bundle都有一个自己的类加载器，替换的时候整个Bundle都替换包括类加载器
      • SPI（Service Provider Interface），例如：JNDI、JDBC…。拿JNDI服务来举例，JNDI服务可以通过一个叫做线程上下文类加载器的东西来加载所需的SPI代码，也就是父类加载器通过调用子类加载器来完成类加载动作。

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