目录
  1. 1. 概述
  2. 2. 类加载的时机
    1. 2.1 加载的时机
    2. 2.2 初始化的时机
  3. 3. 类加载的过程
    1. 3.1 加载
      1. 3.1.1 非数组类的加载
      2. 3.1.2 数组类的加载
    2. 3.2 验证
      1. 3.2.1 文件格式验证
      2. 3.2.2 元数据验证
      3. 3.2.3 字节码验证
      4. 3.2.4 符号引用验证
      5. 3.2.5 验证总结
    3. 3.3 准备
    4. 3.4 解析
      1. 3.4.1 什么是符号引用和直接引用
      2. 3.4.2 对解析结果进行缓存
      3. 3.4.3 解析的对象
    5. 3.5 初始化
深入理解JVM-虚拟机类加载机制

1. 概述

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。

Java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,为Java应用程序提供高度的灵活性

2. 类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载处内存为止
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)
  • 卸载(Unloading)

验证、解析、准备统称为连接(Linking)

其中,加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的。但是解析不一定,某些情况下可以在初始化之后再开始,这是为了支持Java的运行时绑定。

2.1 加载的时机

这个Java虚拟机规范中并没有进行强制约束,这个可以交给虚拟机自订。

2.2 初始化的时机

对于初始化的时机,虚拟机规范强制规定只有5中情况必须立即对类进行“初始化”

  • 遇到newgetstaticputstaticinvokestatic这4条字节码指令时,如果类没有初始化过,则需要先触发其初始化。对应着使用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外)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,用户需要制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_getStaticREF_putStaticREF_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

而对于接口,当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时(如引用父接口中定义的常量)才会初始化。

这五种场景中的行为称为对一个类进行主动引用
所有引用类的方式都不会触发初始化,被称为被动引用。

  • 通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化。
    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

  • 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储调用类的常量池中,本质上并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

3. 类加载的过程

分为加载、验证、准备、解析和初始化5个阶段

3.1 加载

加载是类加载中的一个阶段。

在加载阶段,虚拟机需要完成以下3件事

  • 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
  • 在内存汇总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

虚拟机对这几点的要求其实并不具体,因此虚拟机实现与具体应用的灵活度都是相当大的。

例如第一条,他只说了获取二进制字节流,但是没说具体从哪获取。所以这一点为很多Java技术都建立了基础:

  • 从ZIP包读取,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是Applet。
  • 运行时计算生成,这种场景使用得最多得就是动态代理技术,在java.lang.reflect.Proxy中,就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass的代理类的二进制字节流。
  • 由其他文件生成,典型场景是JSP应用,即由JSP文件生成对应的Class类。
  • 从数据库读取,这种场景相对少见,例如有些中间件服务器(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。

3.1.1 非数组类的加载

相对于类加载过程的其它阶段,一个非数组类的加载阶段是开发人员可控性最强的。因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载类去完成,也可以由用户自定义的类加载器去完成,通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取,即重写一个类加载器的loadClass()方法。

3.1.2 数组类的加载

数据类本身不通过类加载器创建,她是由Java虚拟机直接创建的。

但是数据类的元素类型(数组去掉所有维度的类型)最终是要靠加载器去创建。

一个数组类创建过程必须遵循以下规则:

  • 如果数组的组件类型(数组去掉一个维度的类型)是引用类型,那就递归采用本书定义的加载过程去加载这个组件类型,数组类将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识
  • 如果数组的组件类型不是引用类型,Java虚拟机将会数组类标记为与引导类加载器关联
  • 数组类的可见性与他的组件类型的可见性一致,如果组件类型不是引用类型,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。然后在内存中实例化一个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。

3.2 验证

验证是连接阶段的第一步,为了确保输入的Class文件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,并且不会危害虚拟机自身的安全。

如果不检查输入的字节流,对齐完全信任的话,很可能会因为载入了有害的字节流而导致系统崩溃,所以验证是虚拟机对自身保护的一项重要工作。

验证阶段是非常重要的,这个阶段是否严瑾,直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击,从性能的角度上讲,验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统又占了相当大的一部分。

从整体上看,验证阶段大致会完成下面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。

3.2.1 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。

可能包括以下验证点:

  • 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
  • 指向常量的各种索引值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它信息
  • ……

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个验证都是基于方法区的存储结构进行的,不会再直接操作字节流。

3.2.2 元数据验证

第二阶段是对字节码描述的信息进行语法分析,以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求。

可能包括以下验证点:

  • 这个类是否有父类(除了Object之外,其他类都有父类)
  • 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中要求实现的方法
  • 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾
  • ……

主要目的是对类的元数据信息就行语义检验,保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

3.2.3 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和控制流分析,确实程序语义是合法的、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。

由于数据流校验的高复杂性,耗时较大,所以JDK1.6之后,在Javac中引入一项优化方法(可以通过参数关闭):在方法体的Code属性的属性表中增加一项“StackMapTable”属性,该属性描述了方法体中所有基本块开始时本地变量表和操作栈应有的状态,从而将字节码验证的类型推导转变为类型检查从而节省一些时间。

如果一个类方法体的字节码没有通过字节码验证,那一定是有问题的;但是如果通过了,那不一定是完全没问题的。

3.2.4 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阶段——解析阶段中发生。

符号引用的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。
  • 指定的类中是否存在符合描述符与简单名称描述的方法与字段。
  • 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。
  • ……

符号引用验证的目的是确保解析动作能正常执行,如果无法通过符号引用验证,那么将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类。

3.2.5 验证总结

对于jvm的类加载机制来说,验证阶段是一个非常重要但不是一定必要(因为对运行期没有影响)的阶段。如果所运行的全部代码都已经被反复验证过,那么在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。

3.3 准备

任务:

  • 为类变量分配内存
  • 设置类变量初始值

这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

首先,在准备阶段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,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:

1
public static int value = 123;

那变量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()方法之中,所以把value赋值为123的动作在初始化阶段才会执行。 值得注意的是,如果类字段的字段属性中存在ConstantValue属性,那在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值,假设上面类变量value的定义变为:

1
public static final int value = 123;

编译时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。

3.4 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。

3.4.1 什么是符号引用和直接引用

那我们吸纳来说一下符号引用和直接引用的概念:

  • 符号引用: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。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同,但是它们能接受的符号引用必须一致,因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。
  • 直接饮用:直接引用可以是直接目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局有关的,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,那么引用的目标必定已经在内存中存在

虚拟机规范没有规定解析阶段发生的具体时间,虚拟机实现可以根据需要来判断到底是在类被加载时解析还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析。

3.4.2 对解析结果进行缓存

同一符号引用进行多次解析请求是很常见的,除invokedynamic指令以外,虚拟机实现可以对第一次解析结果进行缓存,来避免解析动作重复进行。无论是否真正执行了多次解析动作,虚拟机需要保证的是在同一个实体中,如果一个引用符号之前已经被成功解析过,那么后续的引用解析请求就应当一直成功;同样的,如果 第一次解析失败,那么其他指令对这个符号的解析请求也应该收到相同的异常。

但是以上规则对invokedynamic不成立。当碰到某个前面已经由invokedynamic指令触发过解析的符号引用时,并不意味着这个解析结果对其它invokedynamic指令也同样生效。

原因是因为这个指令用于动态语言支持,也就是等程序执行到这条指令时,才去解析。相对的,其它的都是静态的,也就是刚完成加载阶段,还没开始执行代码就解析了。

3.4.3 解析的对象

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。

对于后面3中,与JDK1.7新增的动态语言支持有关。

3.5 初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步。

前面的过程中,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。而在从初始化阶段开始,才是真正的执行定义的Java程序代码。

在准备阶段时,我们说过这时程序已经为static修饰的类变量进行了初始化操作。而当时我们也说过,在准备阶段初始化的值只是Java对该变量定义的默认值,就好比int是0,float是0.0f,Boolean是false。他才不管你在代码里面有没有给这些变量定义值。

而在初始化阶段,才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。简单点说,初始化阶段是执行类构造器<client>()方法的过程。

下面来详细讲讲<client>()方法是怎么生成的:

  • <client>()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,编译器收集的顺序由语句在源文件中出现的顺序决定,特别注意的是,静态语句块只能访问到定义在它之前的类变量,定义在它之后的类变量只能赋值,不能访问。例如以下代码:
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public class Test {
static {
i = 0; // 给变量复制可以正常编译通过
System.out.print(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用”
}
static int i = 1;
}
  • <clinit>()方法与类的构造函数(或者说实例构造器<init>()方法)不同,不需要显式的调用父类的()方法。虚拟机会自动保证在子类的<clinit>()方法运行之前,父类的<clinit>()方法已经执行结束。因此虚拟机中第一个执行<clinit>()方法的类肯定为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于子类的变量赋值操作。例如以下代码:
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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);//输出结果是父类中的静态变量值A,也就是2
}
  • <clinit>()方法对于类或接口不是必须的,如果一个类中不包含静态语句块,也没有对类变量的赋值操作,编译器可以不为该类生成<clinit>()方法。

  • 接口中不可以使用静态语句块,但仍然有类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<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和同步,如果多个线程同时初始化一个类,只会有一个线程执行这个类的<clinit>()方法,其它线程都会阻塞等待,直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时的操作,就可能造成多个进程阻塞,在实际过程中此种阻塞很隐蔽。

文章作者: littlecorgi
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