Java虚拟机学习(3): 类加载机制

类加载机制

JVM把class文件加载的内存,并对数据进行校验、转换解析和初始化,最终形成JVM可以直接使用的Java类型的过程就是加载机制。

类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,它的生命周期包括了:加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)、卸载(Unloading)七个阶段,其中验证、准备、解析三个部分统称链接。

加载(装载)、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段顺序是固定的,类的加载过程必须按照这种顺序开始,而解析阶段不一定;它在某些情况下可以在初始化之后再开始,这是为了运行时动态绑定特性。值得注意的是:这些阶段通常都是互相交叉的混合式进行的,通常会在一个阶段执行的过程中调用或激活另外一个阶段。

加载:

加载阶段是“类加载机制”中的一个阶段,这个阶段通常也被称作“装载”,主要完成:

1.通过“类全名”来获取定义此类的二进制字节流

2.将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构

3.在java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这些数据的访问入口

虚拟机规范对于“通过“类全名”来获取定义此类的二进制字节流”并没有指明二进制流必须要从一个本地class文件中获取,准确地说是根本没有指明要从哪里获取及怎样获取。例如:

从Zip包中读取,这很常见,最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。

从网络获取,常见应用Applet。

运行时计算生成,这种场景使用的最多的就是动态代理技术,在java.lang.reflect.Proxy中,就是用ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生成$Prxoy的代理类的二进制字节流。

由其他格式文件生成,典型场景:JSP应用

从数据库中读取,这种场景相对少见,有些中间件服务器(如SAP Netweaver)可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。

相对于类加载过程的其他阶段,加载阶段(准备地说,是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作)是开发期可控性最强的阶段,因为加载阶段可以使用系统提供的类加载器(ClassLoader)来完成,也可以由用户自定义的类加载器完成,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。

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有虚拟机实现自行定义,虚拟机并未规定此区域的具体数据结构。然后在java堆中实例化一个java.lang.Class类的对象,这个对象作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。加载阶段与链接阶段的部分内容(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,链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,仍然属于链接阶段的内容,这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

验证:

验证是链接阶段的第一步,这一步主要的目的是确保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安全。

验证阶段主要包括四个检验过程:文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

1.文件格式验证

验证class文件格式规范,例如: class文件是否已魔术0xCAFEBABE开头 , 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内等

2.元数据验证

这个阶段是对字节码描述的信息进行语义分析,以保证起描述的信息符合java语言规范要求。验证点可能包括: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)、这个类是否继承了不允许被继承的类(被final修饰的)、如果这个类的父类是抽象类,是否实现了起父类或接口中要求实现的所有方法。

3.字节码验证

进行数据流和控制流分析,这个阶段对类的方法体进行校验分析,这个阶段的任务是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。如:保证访法体中的类型转换有效,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,但不能把一个父类对象赋值给子类数据类型、保证跳转命令不会跳转到方法体以外的字节码命令上。

4.符号引用验证

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、符号引用类中的类,字段和方法的访问性(private、protected、public、default)是否可被当前类访问。

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,这些内存都将在方法区中进行分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的知识点,首先是这时候进行内存分配的仅包括类变量(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。其次是这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值,假设一个类变量定义为:

public static int value  = 12;

那么变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是12,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<clinit>()方法之中,所以把value赋值为12的动作将在初始化阶段才会被执行。

上面所说的“通常情况”下初始值是零值,那相对于一些特殊的情况,如果类字段的字段属性表中存在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,建设上面类变量value定义为:

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设置为123。

解析:

解析阶段是虚拟机常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

符号引用:符号引用是一组符号来描述所引用的目标对象,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。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关,引用的目标对象并不一定已经加载到内存中。

直接引用:直接引用可以是直接指向目标对象的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是与虚拟机内存布局实现相关的,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。

虚拟机规范并没有规定解析阶段发生的具体时间,只要求了在执行anewarry、checkcast、getfield、instanceof、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、multianewarray、new、putfield和putstatic这13个用于操作符号引用的字节码指令之前,先对它们使用的符号引用进行解析,所以虚拟机实现会根据需要来判断,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。

解析的动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号引用进行。分别对应编译后常量池内的CONSTANT_Class_Info、CONSTANT_Fieldref_Info、CONSTANT_Methodef_Info、CONSTANT_InterfaceMethoder_Info四种常量类型。

1.类、接口的解析

2.字段解析

3.类方法解析

4.接口方法解析

初始化:

类的初始化阶段是类加载过程的最后一步,在准备阶段,类变量已赋过一次系统要求的初始值,而在初始化阶段,则是根据程序员通过程序制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<clinit>()方法的过程。在以下四种情况下初始化过程会被触发执行:

1.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、读取或设置一个类的静态字段(被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外)的时候,以及调用类的静态方法的时候。

2.使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候

3.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、则需要先出发其父类的初始化

4.jvm启动时,用户指定一个执行的主类(包含main方法的那个类),虚拟机会先初始化这个类

在上面准备阶段 public static int value  = 12;  在准备阶段完成后 value的值为0,而在初始化阶调用了类构造器<clinit>()方法,这个阶段完成后value的值为12。

*类构造器<clinit>()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块之前的变量,定义在它之后的变量,在前面的静态语句快可以赋值,但是不能访问。

*类构造器<clinit>()方法与类的构造函数(实例构造函数<init>()方法)不同,它不需要显式调用父类构造,虚拟机会保证在子类<clinit>()方法执行之前,父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中的第一个执行的<clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。

*由于父类的<clinit>()方法先执行,也就意味着父类中定义的静态语句快要优先于子类的变量赋值操作。

*<clinit>()方法对于类或接口来说并不是必须的,如果一个类中没有静态语句,也没有变量赋值的操作,那么编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法。

*接口中不能使用静态语句块,但接口与类不太能够的是,执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()方法。只有当父接口中定义的变量被使用时,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<clinit>()方法。

*虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确加锁和同步,如果多个线程同时去初始化一个类,那么只会有一个线程执行这个类的<clinit>()方法,其他线程都需要阻塞等待,直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作,那就可能造成多个进程阻塞。

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