深入理解java虚拟机：虚拟机类加载机制（1）

news2024/11/18 9:47:43

文章目录

  • 1. 类加载的时机
  • 2. 类加载的过程
    • 2.1 加载
    • 2.2 验证
    • 2.3 准备
    • 2.4 解析
    • 2.5 初始化

1. 类加载的时机

img

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了：

  1. 加载（Loading）
  2. 验证（Verification）
  3. 准备（Preparation）
  4. 解析（Resolution）
  5. 初始化（Initialization）
  6. 使用（Using）
  7. 卸载（Unloading）

图7-1中，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（也称为动态绑定或晚期绑定)。请注意这里写的是按部就班地“开始”，而不是按部就班地“进行”或“完成”，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或激活另外一个阶段。

虚拟机范则是严格规定了 有且只有 四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)：

  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人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包的方法对类进行发射调用的时候，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过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
  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。
/*
* 被动使用类字段，示例1：子类引用父类静态字段，不会触发子类初始化
*/
public class TestJavaClass {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}

class SuperClass {
    static {
        System.out.println("SuperClass init");
    }

    public static int value =123;
}

class SubClass extends SuperClass {
    static {
        System.out.println("SubClass init");
    }
}
/*
SuperClass init
123
*/

上述代码运行之后，只会输出“SuperClass init!”，而不会输出“SubClass init!”。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
Sun HotSpot虚拟机来说，可通过-XX:+TraceClassLoading参数看到此操作会导致子类的加载。

/*
* 被动使用类字段，示例2：通过数组定义来引用类，不会处发此类的初始化
*/
public class TestJavaClass {
    public static void main(String[] args) {
        SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
    }
}
/*
无输出
*/

这段代码运行之后发现没有输出“SuperClass init!!"，说明并没有触发类SuperClass的初始化阶段。但是这段代码里面触发了另外一个名为[Lcom.monk.SuperClass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java.lang.Object的子类，创建动作由字节码指令newarray触发。

/*
* 被动使用类字段，示例3：常量在编译阶段会存入调用类常量池中，没有直接引用到定义常量的类，不会类的初始化
*/
public class TestJavaClass {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstClass.value);
    }
}

class ConstClass{
    static {
        System.out.println("ConstClass init");
    }

    public static final int value = 456;
}
/*
456
*/

上述代码运行之后，也没有输出“ConstClass init!”,这是因为虽然在Java源码中引用了ConstClass类中的常量value，但是在编译阶段将此常量的值“456”存储到了 TestJavaClass 类的常量池中，对常量ConstClass.value 的引用实际都被转化为 TestJavaClass 类对自身常量池的引用了。也就是说实际上TestJavaClass 的Class文件之中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译成Class之后就不存在任何联系了。

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static{}来输出初始化信息的，而接口中不能使用 static{) 语句块，但编译器仍然会为接口生成**<clinit>()类构造器**，用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类真正有所区别的是前面讲述的四种“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。

2. 类加载的过程

接下来我们详细讲解一下类加载的全过程，也就是加载、验证、准备、解析和初始化这五个阶段的过程。

2.1 加载

加载”(Loading)阶段是类加载(Class Loading)过程的一个阶段，希望您没有混淆这两个看起来很相似的名词。在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

  1. 通过一个类的全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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口

虚拟机规范的这三点要求实际上并不具体，因此虚拟机实现与具体应用的灵活度相当大。例如“通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流”，并没有指明二进制字节流要从一个Class文件中获取，准确地说是根本没有指明要从哪里获取及怎样获取。虚拟机设计团队在加载阶段搭建了一个相当开放的、广阔的舞台，Java发展历程中，充满创造力的开发人员们则在这个舞台上玩出了各种花样，许多举足轻重的Java技术都建立在这一基础之上，例如：

  • 从ZIP包中读取，这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础
  • 从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Applet。.
  • 运行时计算生成，这种场景使用得最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生成*$Proxy的代理类的二进制字节流
  • 由其他文件生成，典型场景：JSP应用。
  • 从数据库中读取，这种场景相对少见些，有些中间件服务器（如SAP Netweaver)可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。
  • 等等…

相对于类加载过程的其他阶段，加载阶段（准确地说，是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作)是开发期可控性最强的阶段，因为加载阶段既可以使用系统提供的类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，

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，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在Java堆中实例化一个java.lang.Class类的对象，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。

2.2 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，并且不会危害虚拟机自身的安全。Java语言本身是相对安全的语言（相对于C/C++来说），使用java代码无法做到访问数组边界以外的数据、类型转换为未实现的类型、跳转到不存在的代码行之类的事情，编译器也会拒绝编译，但是Class文件的生成并不一定要求用Java源码编译而来，比如使用Proxy也可以生成Class文件。所以通过验证是对虚拟机自身保护的一项总要工作。

尽管验证阶段是非常重要的，并且验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中占了很大一部分，但虚拟机规范对这个阶段的限制和指导显得非常笼统，仅仅说了一句如果验证到输入的字节流不符合Class文件的存储格式，就抛出一个java.lang.VerifyError异常或其子类异常，具体应当检查哪些方面，如何检查，何时检查，都没有强制要求或明确说明，所以不同的虚拟机对类验证的实现可能会有所不同，但大致上都会完成下面四个阶段的检验过程：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

  • 文件格式验证

    验证上文提到的Class类文件的结构是否符合规范

  • 元数据验证

    对字节码描述的信息进行语义分析，是否符合Java语言规范

  • 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，主要工作是进行数据流和控制流分析。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这阶段将对类的方法体进行校验分析。这阶段的任务是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行为

  • 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一解析阶段中发生。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)的信息进行匹配性的校验

    • 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及简单名称所描述的方法和字段
    • 符号引用中的类、字段和方法的访问性(private、protected、public、default)是否可被当前类访问。

2.3 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，这些内存都将在方法区中进行分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先是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。其次是这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：

public static int value = 123;

那么变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于**类构造器<clinit>()**方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会被执行。

但是如果是：类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性

public static final int value =123;

编译时期javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123

2.4 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，符号引用在前一章讲解Class文件结构的时候就已经出现过多次，在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref info等类型的常量出现，那解析阶段中所说的直接引用与符号引用又有什么关联呢？

  • 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。直接引用是与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。

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、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、multianewarray、new、putfield和putstatic这13个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用的符号引用进行解析。所以虚拟机实现会根据需要来判断，到底是在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。

解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号用进行，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info及CONSTANT_InterfaceMethodref_info四种常量类型"。下面将讲解这四种引用的解析过程。

  • 类或接口的解析：详情可见P183（7.3.4解析章节）- PDF 204
  • 字段解析：详情可见P183（7.3.4解析章节）- PDF 204
  • 类方法解析：详情可见P183（7.3.4解析章节）- PDF 206
  • 接口方法解析：详情可见P183（7.3.4解析章节）- PDF 207

2.5 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，则是根据程序员通过程序制定的主观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<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中可以赋值，但是不能访问。

  • clinit>()方法与类的构造函数（或者说**实例构造器<init>()**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<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。

  • 由于父类的<clinit>()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，如代码中，字段B的值将会是2而不是1。

    public class TestJavaClass {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Sub.B);
    }

    static class Parent {
        public static int A = 1;

        static {
            A = 2;
        }
    }

    static class Sub extends Parent {
        public static int B = A;
    }
}
/*
2
*/

  • <clinit>()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<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，因此接口与类一样都会生成<clinit>()方法。但接口与类不同的是，执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()方法。只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>()方法。

  • 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁和同步，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<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。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，那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 TestJavaClass {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable script = () -> {
            System.out.println(Thread.currentThread() + "start");
            DeadLoopClass dls = new DeadLoopClass();
            System.out.println(Thread.currentThread() + " run over");
        };

        Thread t1 = new Thread(script);
        Thread t2 = new Thread(script);
        t1.start();
        t2.start();
    }


    static class DeadLoopClass {
        static {
            // 如果不加 if 判断，编译器会提示“ Initializer must be able to complete normally"
            if (true) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
                while (true) {}
            }
        }
    }
}
/*
一条线程正在死循环以模拟长时间操作，另外一条线程在阻塞等待：
Thread[Thread-0,5,main]start
Thread[Thread-1,5,main]start
Thread[Thread-0,5,main]init DeadLoopClass
 */

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