《深入理解Java虚拟机》1.类加载机制

《深入理解Java虚拟机》1.类加载机制 1.虚拟机类加载机制 1.1概述

Java虚拟机把描述类的数据从Class文件中加载到内存，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，这个过程被称为虚拟机的类加载机制。在Java语言中，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。

1.2类的生命周期

一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个声明周期将会经历 加载(Loading)——> 验证(Verification)——>准备(Preparation)——>解析(Resolution)——>初始化(Initialization)——>使用(Using)——>卸载(Unloading) 其中验证准备解析三个部分成为连接(linking)。

上图中，加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类型的加载过程必须按照这种顺序按部就班的开始，而解析阶段不一定。解析在某些情况下可以在初始化阶段之后才开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定(动态绑定)。

注意：这里按部就班的开始而不是按部就班的进行或者按部就班的完成，强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉的混合进行的，会在一个阶段执行的过程中调用、激活另一个阶段。

1.3类的主动使用

对于初始化阶段，《Java虚拟机规范中》严格规定了有且只有六种情况必须马上对类进行初始化==(而加载、验证、准备自然需要再此之前进行)==

1.遇到new getstatic putstatic 或invokestatic这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段。
--- 使用new关键字实例化对象
--- 读取或设置一个类型的静态字段(被final修饰的已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外)
--- 调用一个类型的静态方法的时候
2.使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3.当初始化类的时候，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。
4.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主类。
5.当使用JDK7新加入到新加入的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后解析的结果为REF_getStatic、REF_Static、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化
6.当一个接口中定义了JDK8新加入的默认方法(被default关键字修饰的接口方法)时，如果这个接口的实现类发生了初始化，那么该接口要在之前被初始化。

对于这六种会触发类型初始化的场景，《Java虚拟机规范》中使用了一个非常强烈的限定语——"有且只有"，这六种场景中的行为成为对一个类型主动使用，除此之外，所有引用类型的方式都不会触发初始化，称为被动使用。

1.4类的被动使用

1.通过子类引用父类的静态字段，只有导致父类初始化，不会导致子类初始化

2.通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化

例如：

Person[] p = new Person[3]; //不会导致触发Person的初始化

3.引用静态常量(static final修饰)不会导致类的初始化，因为在编译阶段就加入到了类的常量池中去，编译阶段比类的加载更早。

2.类加载过程 2.1加载

"加载(Loading)"阶段是整个"类加载"(Class Loading)过程中的一个阶段，在加载阶段，Java虚拟机需要完成三件事

1.通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流

2.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

3.在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区的这个类的各种数据的访问入口。

2.2连接 2.2.1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《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段可以分为如下几个步骤

文件格式验证

第一阶段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：

• 是否以魔数0xCAFEBABE开头
• 主、次版本号是否在当前Java虚拟机接受范围之内。
• 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型（检查常量tag标志）。
• 指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量。
• 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他信息。
• …

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：

• 这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）
• 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之中要求实现的所有方法。
• 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾（例如覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的
• 方法重载，例如方法参数都一致，但返回值类型却不同等

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分析和控制流分析，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校验完毕以后，这阶段就要对类的方法体（Class文件中的Code属性）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行为，例如：

• 保证任意时刻 *** 作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现类似于“在 *** 作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中”这样的情况。
• 保证任何跳转指令都不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
• 保证方法体中的类型转换总是有效的，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这是安全的，但是把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个数据类型，则是危险和不合法的。

符号引用验证

最后一个阶段的校验行为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。符号引用验证可以看作是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的各类信息进行匹配性校验，通俗来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。本阶段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。
• 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符及简单名称所描述的方法和字段。
• 符号引用中的类、字段、方法的可访问性（private、protected、public、< package>）是否可被当前类访问。
• …

2.2.2准备

准备阶段是正式为类中定义的变量(即类变量，被static修饰的变量)分配内存并设置类变量默认值的阶段，所谓的默认值通常情况下是数据类型的零值

为static final 修饰的变量(常量)直接赋其后面的初始值。

类变量在JVM中的位置

从概念上讲，这些变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配，但必须注意到方法区本身是一个逻辑上的区域，在JDK7及之前，HotSpot使用永久代来实现方法区，实现是完全符合这种逻辑概念的，而在JDK8及之后，类变量则会随着Class对象一起放在Java堆中，这时候"类变量在方法区"就完全是一种对逻辑概念的表述了

2.2.3解析

解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程

• 符号引用（Symbolic References）：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。
• 直接引用（Direct References）：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。

解析的具体流程分为如下几个阶段：

• 1.类或接口的解析
• 2.字段解析
• 3.方法解析
• 4.接口方法解析

2.3初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，之前介绍的几个类加载的动作里，除了在加载阶段用户可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制，直到初始化阶段，Java虚拟机才开始真正的执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。

进行准备阶段时，类变量已经付过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，我们也可以从另外一种更直接的形式来表达：初始化阶段就是执行类构造器的过程，并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生产物

Clinit方法

此方法就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{})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决定的

静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块中可以赋值，但是不能访问。

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

Java虚拟机会保证在子类的()方法执行前，父类的()方法已经执行完毕，因此在Java虚拟机中第一个被执行的()方法的类型肯定是java.lang.Object

方法对于类或者接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态代码块，也没有对类变量的赋值 *** 作，那么编译器可以不为这个类生成方法

Java虚拟机保证一个类的方法在多线程环境下被正确的加锁同步，即如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有其中一个线程去执行这个类的方法，其他线程都需要阻塞等待。

3.类加载器 3.1概述及分类

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但是它在Java程序中起到的作用确远超类加载阶段，对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在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，这句话可以表达的更通俗一点:比较两个类是否"相等",只有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Java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

站在Java虚拟机的角度来看，只存在两种不同的类加载器

• 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)，这个类加载器使用C++语言编写==(在Java程序中获取不到,为null)==，是虚拟机的一部分，
• 其他的所有类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立存在于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader

3.1启动类(Bootstrap)加载器

负载加载存放在lib目录，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的

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，如果把需要加载的请求委派给引导类加载器去处理，那直接使用null代替即可。

3.2拓展类(Extension)加载器

这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader中以Java代码的形式实现的，它负责加载libext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。

3.3应用程序类(Application)加载器

这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以有些场合也叫做"系统类加载器",他负责加载用户类路径(ClassPath)上的所有的类库，开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器，如果应用程序中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。

3.4自定义类加载器

什么时候需要自定义类加载器：

1）想加载非 classpath 随意路径中的类文件
2）都是通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计
3）这些类希望予以隔离，不同应用的同名类都可以加载，不冲突，常见于 tomcat 容器

步骤：

• 继承 ClassLoader 父类。
• 要遵从双亲委派机制，重写 findClass 方法 注意不是重写 loadClass 方法，否则不会走双亲委派机制。
• 读取类文件的字节码。
• 调用父类的 defineClass 方法来加载类。
• 使用者调用该类加载器的 loadClass 方法。

3.5双亲委派机制

如果一个类加载器收到了类加载的请求，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。

为什么要使用双亲委派机制(好处)

避免重复加载

• 采用双亲委派模式的是好处是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，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父加载器已经加载了该类时，就没有必要子加载器再加载一次。

避免核心类篡改

• 其次是考虑到安全因素，java 核心 api 中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为 java.lang.String的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的 java.lang.String，而直接返回已加载过的 String.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。