第7章 虚拟机类加载机制

2019-01-12  本文已影响0人  过来摸摸头丶

1.概述

虚拟机的类加载机制介绍：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。

Java语言中，类型的加载、连接和初始化都是在程序运行期间完成的，虽然令类加载增加了一些性能开销，但是会 更灵活。例如编写一个面向接口的类，可以等到运行时再指定其实际的实现类。

笔者强调的注意事项：
1.实际情况中，每个Class文件都有可能代表着Java语言的一个类或接口，后文直接对"类"的描述都包括了类和接口的可能性
2.本章所提到的"Class文件"并非特质某个存在于具体磁盘的文件，这里应当是一串二进制的字节流，无论以任何形式存在。

2.类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存到卸载整个生命周期是：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。如下图所示：

类的生命周期

上图中，加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始。解析阶段不一定：它在某些情况下在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的动态绑定。

注意：这里是按部就班的"开始"，不是按部就班的"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地，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

什么情况下需要开始类加载？Java虚拟机规范中并没有进行强制约束，由虚拟机实现来把握。但对于初始化阶段，虚拟机规范严格规定了有且只有5中情况必须立即对类进行"初始化"(加载、验证、准备自然需要再此之前开始)：

这5种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。还有就是被动引用：所有引用类的方式都不会触发初始化。

下面是3个被动引用的例子。

/**
 * 被动使用类字段演示一：
 * 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
 **/
public class SuperClass {

    static {
        System.out.println("SuperClass init");
    }
    
    public static int value = 123;
}

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

/**
 * 非主动使用类字段演示
 */
class NotInitialization {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}

上述代码只会输出"SuperClass init"和"123"。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定义的静态字段，只会触发父类的初始化。至于是否要触发子类的加载和验证，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参数会导致子类的加载。

/**
 * 被动使用类字段演示二：通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化
 */
class NotInitialization {

    public static void main(String[] args) {

        SuperClass[] sc = new SuperClass[10];
    }
}

这段代码没有触发初始化，但里面触发了另外一个名为"[LSuperClass"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，它是由虚拟机自动生成的、直接继承与java.lang.Object的子类，创建动作由字节码指令newarray触发。

/**
 * 被动使用类字段演示三：
 * 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，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
 */
class ConstClass {

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

    public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}
class NotInitialization {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
    }
}

上述代码也没有输出"ConstClass init"，因为Java源码中引用了ConstClass类中的常量HELLOWORLD，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值"hello world"存储到了NotInitialization类的常量池中。所以在NotInitialization对ConstClass.HELLOWORLD的引用实际上是对自身常量池的引用。

接口的加载过程与类的加载过程稍有些不同：接口也有初始化过程，但是接口中不能用static{}静态代码块，但编译器仍然会为接口生成<cinit>()类构造器，用于初始化接口中定义的成员变量。

接口与类真正的区别是上面初始化场景的第3种：当一个类初始化时，要求其父类全部都已经初始化过，但接口初始化时，并不要求父类接口全部都完成了初始化，只有真正用到父接口但时候(如引用接口中定义的常量)才会初始化。

3.类加载的过程

3.1 加载

"加载"是"类加载"过程的一个阶段，虚拟机需要完成3件事情：

对于非数组类的加载阶段(准确的说是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作)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器完成，也可以由用户自定义的类加载器完成。

对于数组，数组类本身不通过类加载器创建，是由Java虚拟机直接创建的。但数组类与类加载器也有密切关系，因为数组类但元素类型(指去掉所有维度但类型)最终要靠类加载器创建。

3.2 验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保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。

验证大致上会完成4个阶段的检验：

1.文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范。

2.元数据验证：字节码描述的信息是否符合Java语言规范。

3.字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法、符合逻辑的。

4.符号引用验证：对类自身以外(常量池中各种符号引用)的信息进行匹配性校验。

3.3 准备

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区中进行分配。

注意：

这时进行内存分配的仅包括类变量(static修饰)，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，初始值通常是数据类型的零值，例如"public static int v = 123"，变量v在准备阶段后初始值为0。(这个时候尚未执行任何Java方法)

基本数据类型的零值

如果是"public static final int v = 123"，那么准备阶段就会给v赋值为123。

3.4 解析

虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

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。分别对应常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_InvokeDynamic_info。(先说前4中，后3中第8章介绍)

下面都把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用。

1.类或接口的解析

假设当前代码所处的类为D，那么有3个步骤：

2.字段解析

首先将字段表内class_index中索引的CONSTANT_Class_info符号引用解析(就是字段所属的类或接口的符号引用)。如果解析完成，会有以下步骤：

3.类方法解析

先解析出类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，解析成功后，有以下几个步骤：

如果查找成功，返回直接引用。会对这个方法进行权限认证，如果没有权限，抛出"java.lang.IllegalAccessError"异常。

4.接口方法解析

同样，解析接口方法表class_index中索引对方法所属对类或接口的符号引用，如果解析成功，会执行以下步骤：

接口所有方法默认都是public，没有访问权限问题。

3.5 初始化

这个阶段才真正开始执行类中定义的Java程序代码。(字节码)

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的主观计划初始化类变量和其他资源。或者说，初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

4.类加载器

通过一个类到全限定名来获取描述此类到二进制字节流。

4.1 类与类加载器

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到前提下才有意义。

否则，即使两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那么这两个类必定不想等。例如：满足以上条件时，自定义的类加载器与虚拟机的类加载器加载的必定不"相等"。

4.2 双亲委派模型

虚拟机而言，只有两种类加载器：启动类加载器(C++实现，是虚拟机自身的一部分)和其他所有的类加载器(Java实现，独立于虚拟机外部，全部继承java.lang.ClassLoader)。

双亲委派模型

工作过程：一个类加载器收到类加载请求，首先不会自己尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器，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启动类加载器，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己加载。

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