JVM

JVM----类加载的过程

2021-08-09  本文已影响0人  三也视界

本篇来自周志明的<<深入理解java虚拟机>>

上一篇介绍了类加载的时机:[https://www.jianshu.com/writer#/notebooks/48941511/notes/84095013)

这篇详细讲解一下 Java 虚拟机中类加载的全过程，也即是加载、验证、准备、解析和初始化这 5 个阶段所执行的具体动作

加载

“加载” 是 “类加载”（Class Loading）过程的一个阶段，希望读者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 3 件事情：

虚拟机规范的这 3 点要求其实并不算具体，因此虚拟机实现与具体应用的灵活度都是相当大的。例如 “通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流” 这条，它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、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则再这个 “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：

相对于类加载过程的其他阶段，一个非数组类的加载阶段（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来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式（即重写一个类加载器的loadClass() 方法）。

对于数组类而言，情况就有所不同，数组类本身不通过类加载器创建，它是由 Java 虚拟机直接创建的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型（Element Type，指的是数组去掉所有纬度的类型）最终是要考类加载器去创建，一个数组类（下面简称为 C）创建过程要遵循以下规则：

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（并没有明确规定是在 Java 堆中，对于 HotSpot 虚拟机而言，Class 对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里面），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。

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，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

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（依然是相对于 C/C++ 来说），使用纯粹的 Java 代码无法做到诸如访问数组边界以外的数据、将一个对象转型为它并未实现的类型、跳转到不存在的代码行之类的事情，如果这样做了，编译器将拒绝编译。但前面已经说过，Class 文件并不一定要求用 Java 源码编译而来，可以使用任何途径产生，甚至包括用十六进制编辑器直接编写来产生 Class 文件。在字节码语言层面上，上述 Java 代码无法做到的事情都是可以实现的，至少语义上是可以表达出来的。虚拟机如果不检查输入的字节流，对其完全信任的话，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，这个阶段是否严谨，直接决定了 Java 虚拟机是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。《Java 虚拟机规范（第 2 版）》对这个阶段的限制、知道还是比较笼统的，规范中列举了一些 Class 文件格式中的静态和结构化约束，如果验证到输入的字节流不符合 Class 文件格式的约束，虚拟机就应抛出一个 java.lang.VerifyError 异常或其子类异常，但具体应当检查哪些方面，如何检查，何时检查，都没有足够具体的要求和明确的说明。知道 2011 年发布的《Java 虚拟机规范（Java SE 7 版）》，大幅增加了描述验证过程的篇幅（从不到 10 页增加到 130 页），这时约束和验证规则才变得具体起来。受篇幅所限，无法逐条规则去讲解，但从整体上看，验证阶段大致上会完成下面 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。

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。这一阶段可能包括下面这些验证点：

实际上，第一阶段的验证点还远不止这些，上面这些知识从 HotSpot 虚拟机中摘抄的一小部分内容，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 3 个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。

2.元数据验证

第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合 Java 语言规范的要求，这个阶段可能包括的验证点如下：

第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java 语言规范的元数据信息。

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，确定程序语义是合法的、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。例如：

……

如果一个类方法体的字节码没有通过字节码验证，那肯定是有问题的；但如果一个方法体通过了字节码验证，也不能说明其一定就是安全的。即使字节码验证之中进行了大量的检查，也不能保证这一点。这里涉及了离散数学中一个很著名的问题 “Halting Problem”（停机问题）：通俗一点的说法就是，通过程序去校验程序逻辑是无法做到绝对准确的——不能通过程序准确地检查出程序是否能在有限的时间之内结束运行。

由于数据流验证的高复杂性，虚拟机设计团队为了避免过多的时间消耗在字节码验证阶段，在 JDK 1.6 之后的 javac 编译器和 Java 虚拟机中进行了一项优化，给方法体的 Code 属性的属性表中增加了一项名为 “StackMapTable” 的属性，这项属性描述了方法体中所有的基本快（Basic Block，按照控制流拆分的代码块）开始时本地变量表和操作栈应有的状态，在字节码验证期间，就不需要根据程序推导这些状态的合法性，只需要检查 StackMapTable 属性中的记录是否合法即可。这样讲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。

理论上 StackMapTable 属性也存在错误或被篡改的可能，所以是否有可能在恶意篡改了 Code 属性的同时，也生成相应的 StackMapTable 属性来骗过虚拟机的类型校验则是虚拟机设计者值得思考的问题。

在 JDK 1.6 的 HotSpot 虚拟机中提供了 -XX:-UseSplitVerifier 选项来关闭这项优化，或者使用参数 -XX:+FailOverToOldVerifier 要求在类型校验失败的时候退回到旧的类型推导方式进行校验。而在 JDK 1.7 之后，对于主版本大于 50 的 Class 文件，使用类型检查来完成数据流分析则是唯一的选择，不允许再退回到类型推导的校验方式。

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，这个转换动作将在连接的第三个阶段——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）的信息进行匹配性校验，通常需要校验下列内容：

……

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，如 java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError 等。

对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要（因为对程序运行期没有影响）的阶段。如果所运行的全部代码（包括自己编写的及第三方包中的代码）都已经被反复使用和验证过，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。

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，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，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 的动作将在初始化阶段才会执行。表 7-1 列出了 Java 中所有基本数据类型的零值。

image

上面提到，在 “通常情况” 下初始值是零值，那相对的会有一些 “特殊情况”：如果类字段属性表中存在 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：

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 复制为 123。

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，在 Class 文件中符号引用它以 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？

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、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield 和 putstatic 这 16 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。所以虚拟机实现可以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。

对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情，除 invokedynamic 指令以外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标识为已解析状态）从而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，如果一个符号引用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了，那么其他指令对这个符号的解析请求也应该受到相同的异常。

对于 invokedynamic 指令，上面规则则不成立。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于其他 invokedynamic 指令也同样生效。因为 invokedynamic 指令的目的本来就是用于动态语言支持（目前仅使用 Java 语言不会生成这条字节码指令），它所对应的引用称为 “动态调用点限定符”（Dynamic Call Site Specifier），这里 “动态” 的含义就是必须等到程序实际运行到这条指令的时候，解析动作才能进行。相对的，其余可触发解析的指令都是 “静态” 的，可以在刚刚完成加载阶段，还没有开始执行代码时就进行解析。

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，分别对应于常量池的 CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info 和 CONSTANT_InvokeDynamic_info7 种常量类型。下面将讲解前面 4 种应用的解析过程。

1.类或接口的解析

假设当前代码所处的类为 D，如果要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，那虚拟机完成整个解析的过程需要以下 3 个步骤：

  1. 如果 C 不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表 N 的全限定名传递给 D 的类加载器去加载这个类 C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就宣告失败。
  2. 如果 C 是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是 N 的描述符会是类似 “[Ljava/lang/Integer” 的形式，那将会按照第 1 点的规则加载数组元素类型。如果 N 的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是 “java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成一个代表此数组纬度和元素的数组对象。
  3. 如果上面的步骤没有出现任何异常，那么 C 在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认 D 是否具备对 C 的访问权限。如果发现不具备访问权限，将抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常。

2.字段解析

要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内 class_index 项中索引的 CONSTANT_Class_info 符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。如果在解析这个类或接口符号引用的过程中出现了任何异常，都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功完成，那将这个字段所属的类或接口用 C 表示，虚拟机规范要求按照如下步骤对 C 进行后续字段的搜索。

  1. 如果 C 本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
  2. 否则，如果在 C 中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，如果接口中包含了简单名称和字段描述符与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
  3. 否则，如果 C 不是 java.lang.Object 的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
  4. 否则，查找失败，抛出 java.lang.NoSuchFieldError 异常。

如果查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，将抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常。

在实际应用中，虚拟机的编译器实现可能会比上述规范要求得更加严格一些，如果有一个同名字段同时出现在 C 的接口和父类中，或者同时在自己或父类的多个接口中出现，那编译器将可能拒绝编译。在代码清单 7-4 中，如果注释了 Sub 类中的 “public static int A=4;”，接口与父类同时存在字段 A，那编译器将提示 “The field Sub.A is ambiguous”，并且拒绝编译这段代码。

代码清单 7-4 字段解析

package org.fenixsoft.classloading; 

public class FieldResoulution {
        interface Interface0 {
             int A = 0; 
                }
        interface Interface1 extends Interface0 {
             int A = 1; 
               }
        interface Interface2 {
            int A = 2;  
                }
        static class Parent implements Interface1 {
            public static int A = 3;
            }
        static class Sub extends Parent implements Interface2 {      
                    public static int A = 4;    
                }
        public static void main(String[] args) {         
                    System.out.println(Sub.A);
          }
}

3.类方法解析

类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也需要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，如果解析成功，我们依然用 C 表示这个类，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的类方法搜索。

  1. 类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现 class_index 中索引的 C 是个接口，那就直接抛出 java.lang.IncompatibleClassChangeError 异常。
  2. 如果通过了第 1 步，在类 C 中查找是否有简单名称和描述符都有目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
  3. 否则，在类 C 的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都有目标想匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
  4. 否则，在类 C 实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都有与目标相匹配的方法，如果存在匹配的方法，说明类 C 是一个抽象类，这时查找结束，抛出 java.lang.AbstractMethodError 异常。
  5. 否则，宣告方法查找失败，抛出 java.lang.NoSuchMethodError。

最后，如果查找过程成功返回了直接引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不具备对此方法的访问权限，将抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常。

4.接口方法解析

接口方法也需要先解析出接口方法表的 class_index 项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，依然用 C 表示这个接口，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索。

  1. 与类方法解析不同，如果在接口方法表中发现 class_index 中索引 C 是个类而不是接口，那就直接抛出 java.lang.IncompatibleClassChangeError 异常。
  2. 否则，在接口 C 中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
  3. 否则，在接口 C 的父接口中递归查找，知道 java.lang.Object 类（查找范围会包括 Object 类）为止，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
  4. 否则，宣告方法查找失败，抛出 java.lang.NoSuchMethodError 异常。

由于接口中的所有方法默认都是 public 的，所以不存在访问权限的问题，因此接口方法的符号解析应当不会抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常。

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，则根据程序员通过程序指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方法的过程。我们在下文会讲解 方法是怎么生成的，在这里，我们先看一下方法执行过程中一些可能会影响程序运行行为的特点和细节，这部分相对于更贴近普通的程序开发人员。

public class Test {
    static {
        i = 0; // 给变量赋值可以正常编译通过
        System.out.println(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用”
    }
    static int i = 1;
}

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);
}

代码清单 7-7 字段解析

static class DeadLoopClass {
    static {
        /* 如果不加上这个 if 语句，编译器将提示 "Initializer does not complete normally"         并拒绝编译 */
        if (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
            while (true) {
            }
        }
    }} 

public static void main(String[] args) {
    Runnable script = new Runnable() {
        public void run() {         System.out.println(Thread.currentThread() + "start");           DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();            System.out.println(Thread.currentThread() + " run over");
        }
    };
        Thread thread1 = new Thread(script);
    Thread thread2 = new Thread(script);
        thread1.start();
    thread2.start();
}

运行结果如下，即一条线程在死循环以模拟长时间操作，另外一条线程在阻塞等待。

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