Java虚拟机加载类的过程

2020-09-09 本文已影响0人刚子来简书啦

所有的Java代码经过编译之后，就成了虚拟机可读的class字节码文件。所谓类的加载过程，就是虚拟机将任意形式的字节码文件载入内存的详细步骤。所谓任意形式，是指除了文件读取，也可以进行网络读取，具体格式也多种多样，只要是二进制的字节码流就可以。因此，理论上，我们可以从任何地方以任何形式，去加载一个真实存在的类。

类的生命周期

加载、验证、准备、初始化和卸载，这5个阶段的顺序是确定的，解析则有可能是发生在初始化之后，并且是交叉执行的，并非绝对的线性顺序。

Java虚拟机规范并没有强制约束什么时候进行加载，而是交由虚拟机的实现自行把握。但是虚拟机规范却对初始化做了严格的规定，有且只有以下5种情况必须立即对类进行初始化：

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。

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是 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。

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。下面三个被动场景可以自行编写代码验证一下：

在第三个类中，通过一个子类调用父类的静态变量，请问子类和父类是否分别进行初始化？

子类不会初始化，只有父类会，因为只有被直接调用的静态变量所属的类才会被初始化。

创建一个类的数组，请问此时是否会初始化类？

创建类的数组时，不会出现该类的任何初始化操作，但会初始化一个由newarray指令触发的，由虚拟机自动生成的、继承自java.lang.Object的、包含此类的全限定名（以L开头）的类。

引用类中被 final static 修饰的变量，请问类此时是否会被初始化？

由于final static已经在编辑阶段初始化到常量池中，所以虽然是静态变量，但是经由优化，不会触发所属类的初始化。

了解了限定严格的初始化说明之后，我们还是按部就班的看看各个阶段分别都干了啥。

1. 加载

在最开始的加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

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。

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。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，但是在开始时间上仍然保持着固定的先后顺序。

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。

验证阶段是非常重要的，这个阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机能否能承受恶意代码的攻击，从执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量,在虚拟机的类加载子系统中又占了相当大的一部分。从整体上看，验证阶段大致上会完成下面4个阶段的校验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

3. 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，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。这个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，并且此时设置的初始值通常是数据类型的零值，而不是代码中的实际赋值。

public static int a = 1;

类变量a在准备阶段后的值是初始0值，而不是代码中的1，因为准备阶段还未开始执行任何Java方法，而给a的赋值1的动作是放在类构造器<cinit>()方法中的，所以自然就不会触发到这个动作，而只有等类初始化的时候才会完成 a=1 的赋值操作。

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。所谓直接引用，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。直接引用是和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。

5. 初始化

到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码。初始化阶段是执行类构造器<cinit>()方法的过程。下面是<cinit>()方法执行过程中可能会影响程序运行行为的特点和细节。

<cinit>()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。
<cinit>()方法与类的构造函数（或者说实例构造器<init>()方法）不同，它不需要显示地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<cinit>()方法执行之前，父类的<cinit>()方法已经执行完毕。因此，在虚拟机中第一个被执行的<cinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。
由于父类的<cinit>()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。
<cinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的，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<cinit>()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<cinit>()方法。但接口与类不同的是，执行接口的<cinit>()方法不需要先执行符接口的<cinit>()方法。只有当父接口中定义的变量使用时，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<cinit>()方法。
虚拟机会保证一个类的<cinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁、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<cinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<cinit>()方法完毕。

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，以便让应用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”。

类加载器虽然只作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名称空间。直白一点来讲，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，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器独立于虚拟机外部，并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

从Java开发人员的角度来看，类加载器可以划分得更细致一些：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这个加载器负责将存放在<JAVA_HOME>/lib目录中的，或者被 -Xbootclasspath 参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，*.jar）类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，那直接使用null代替即可。
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

我们的应用程序都是由这3种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自己定义的类加载器。这些类加载器之间的关系一般符合双亲委派模型。

类加载器双亲委派模型

双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。自顶向下依次是：启动类加载器、扩展类加载器、应用程序类加载器和自定义类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现，而是都使用组合关系来复用父类加载器的代码。所以，双亲委派模型是一种建议的规范，并没有强制在类结构上进行限制。

双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器说到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，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顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中。无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // First, check if the class has already been loaded
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }

            if (c == null) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.
                long t1 = System.nanoTime();
                c = findClass(name);
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

双亲委派模型对于保证Java程序的稳定性运作很重要，实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中。先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。若父加载器加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载。