虚拟机类加载机制

2018-01-03 本文已影响51人某昆

前言

Class文件结构已经学习完毕，今天来学习下虚拟机如何加载Class文件。

C语音编译连接后直接就生成了可执行文件，程序执行，并不需要额外操作。但Java不一样，类型的加载和连接都是在程序运行期间完成的。

这会导致额外的开销，但这也给Java带来了无比的灵活性，比如动态加载技术正是基于此特性完成的。

本文主要主要内容如下：

类加载时机
类加载过程
类加载器

类加载时机

类从被加载到虚拟机内存开始，到卸载出内存为止，一共会经历加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载 7个阶段。其中验证、准备、解析这三个解析被称为连接过程。

一般来说，以上过程会按部就班地开始，但只是开始，因为这些阶段会交叉进行，通常会在一个阶段开始后激活调用另一个过程。

以下4种情况下，一定会开始类的加载过程：

遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic等字节码指令时，而类没有经过初始化。生成这4个指令的常见情况：使用new关键字实例化对象、读取或设置类的静态字段（使用final关键字修饰除外）、调用类的静态方法
使用java.lang.reflect进行反射调用，而类没有经过初始化。
当初始化一个类时，发现其父类还没有被初始化，则需要先初始化其父类
当虚拟机启动时，用户需要指定一个主类（包含main方法），虚拟机会初始化这个主类。

回顾第1条，为啥final关键字修饰的静态成员变量会例外呢？回顾Class文件结构常量池知识，如果是final关键字修饰的static变量，它的值使用ConstantValue进行初始化，非final修饰的static变量在 clinit 方法中初始化。

以上4种场景被虚拟机称为有且只有的会触发类初始化的场景，这4种场景被称为对类的主动引用。除此之外的所有场景都不会触发类的初始化，被称为被动引用。

public class SuperClass {
    /*
     * 被动引用父类静态变量，不会初始化子类
     */
    static{
        System.out.println("super class init");
    }
    public static int value = 123;
}

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

public class ConstClass {
  static{
      System.out.println("const class init");
  }
  public static final String HELLO = "hello world";
}

/*
 * 被动引用父类静态变量，不会初始化子类
 */
public static void invokeSuperStatic(){
    System.out.println(SubClass.value);
}

/*
 * 通过数组定义来引用类，不会触发类的初始化
 */
public static void accessByArray(){
    SuperClass[] array = new SuperClass[10];
}

/*
 * 访问final static变量，不会初始化类
 */
public static void accessFinalField(){
    System.out.println(ConstClass.HELLO);
}

如上代码，一共对应了3种被动引用方式。

引用父类的静态变量，不会初始化子类
通过数组定义来引用类，不会触发类的初始化。此时没有初始化 SuperClass 类，但初始化了 [Lcom.okunu.jvm.init 这个类，它由字节码指令newarray触发，且实现了数组的 length 等方法。数组也是对象，是Java自动生成的对象，所以它并不会去初始化数组中的元素类。
static final类型的常量，在编译阶段已把此常量存储到了NotInit类的常量池了，对常量 HELLO 的引用已经转化对自身常量池的引用了，所以不会初始化ConstClass类了

类加载过程

类加载过程分为加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载 7个阶段，本文中主讲前面5个阶段

1、加载

加载阶段主要做以下事情：

通过类的全限定名获取类的二进制文件流
将字节流所代表的静态存储结构转变为方法区的运行时数据结构
在堆中生成此类的 java.lang.Class 对象，作为方法区这些数据的访问入口

加载阶段是开发可控性最强的阶段，比如说开发可以使用自定义类加载器去加载某个类，类的来源也可以是jar包、class文件、甚至是网络流。

2、验证

验证是连接过程的第1步，它是为了确保Class文件的字节流符合虚拟机的规范。

加载阶段加载Class文件，并未规定Class文件的来源，如果愿意，甚至可以手动编写Class文件，但这样的Class文件有可能不符合虚拟机规范，所以需要验证。它主要进行如下方面验证：

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

准备阶段是为类变量正式分配内存并赋默认值的阶段，这些内存都在方法区内分配。

有两个点需要强调：

只为类变量分配内存，即是为static变量分配内存，一般成员变量是在类被实例化时分配内存
只会为static变量赋默认值

假设有如下static变量

  public static int value = 123

那么准备阶段，value的值会变成0，而不是123。而把value赋值为123的putstatic指令是在程序被编译后，存放在 clinit 方法中，所以value被赋值为123 发生在初始化阶段，即第5个阶段。

如果是final修饰的static变量呢？如果字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那么准备阶段，变量就会被初始化为ConstantValue存储的值。

假设上述变量为

  public static final int value = 123

编译时javac会为value生成ConstantValue属性，准备阶段value的值就会成为123。

4、解析

解析阶段是将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。

符号引用是指字面量，能无歧义地定位到目标就好，它与虚拟机的内存布局无关。

直接引用，是指可以直接访问到对象的指针或句柄，与内存布局相关的。

解析主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法4类符号引用。

5、初始化

初始化是类加载过程的最后一步，除了加载过程，开发可以使用自定义类加载器参与外，其它过程全都是虚拟机自己控制着。初始化阶段，才真正开始执行Java程序代码。

准备阶段，为static变量分配内存并赋默认值，而初始化阶段则会执行clinit方法，为static变量分配代码中所指定的值。

<clinit>方法是虚拟机自动生成的，编译器收集类中类变量的赋值语句、static静态语句块合并产生<clinit>方法。收集的顺序是代码顺序
<clinit>方法和 init 方法不同，它不需要显示调用父类<clinit>方法，因为虚拟机保证在调用子类<clinit>方法前，父类<clinit>方法已经执行完毕。
因为父类的<clinit>方法先执行，所以父类静态语句块要优先于子类的静态语句块。
<clinit>方法并不是必须的，如果代码中没有定义静态变量或者静态语句块，则没有<clinit>方法。

类加载器

类加载器的作用就是实现加载阶段的任务，通过一个类的全限定名获取Class文件的二进制字节流。

如果同一个类由两个不同的类加载器加载，得到两个实例，那么这两个实例在虚拟机看来，并不同一种类型。

类加载器可以分成三类：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），负责将存放在 JAVA_HOME\lib 目录下并且是虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存当中来
扩展类加载器（Extension ClassLoader），它负责加载存放在 JAVA_HOME\lib\ext 目录下的类库
用户程序类加载器（Application ClassLoader），它是默认的类加载器，负责加载ClassPath上指定的类库，如果某个类没有特殊指定类加载器，就使用它。

我们的应用程序都是由这三类类加载器完成类加载的，如果需要，我们还可以实现自定义的类加载器完成类加载。它们的关系如下图所示：

上图所展示的类加载器关系，就叫类加载器的双亲委派模型。除了顶层的启动类加载器，其它的类加载器都有自己的父类加载器，但它们不是通过继承实现的，而是通过组合实现的。

双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载请求，会先请求自己的父类加载器去加载，如果父类无法加载该类，子类才会尝试自己去加载。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve){
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        if (parent != null) {
            //使用父加载器加载此类
            c = parent.loadClass(name, false);
        } 
        if (c == null) {
            // 如果父加载器没有成功加载，则自己尝试加载
            c = findClass(name);
        }
    }
    return c;
}

查看ClassLoader类的loadClass方法，双亲委派模型从上述代码中实现。

使用双亲委派模型，Java类和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Object类，无论哪个类加载器来加载它，最后都要委托启动类加载器来加载Object，这就保证了Object在程序的各个类加载器环境中都是同一个类。Java的基本类，基础行为必须被保证，不能被篡改，这就是双亲委派模型的意义所在。

虚拟机类加载机制

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