JVM系列-类加载机制原理与过程

通常我们写完代码,编译代码,生成字节码.Class文件。而这些.Class文件是如何加载到JVM中的呢?

类从被加载到JVM中开始,到卸载出内存为止,整个生命周期包括:加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段。发生顺序如下图所示。

类加载过程

对于初始化阶段,虚拟机规范严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行初始化:

1)遇到new、getstatic、putstatic、或者invokestatic这4条字节码指令时。具体场景是:使用new来实例化对象、设置或者读取一个静态字段、调用一个静态方法。
2)对类进行反射调用时候,如果类没有进行过初始化,则需要先触发初始化工作。
3)当是初始化一个类时,如果他的父类还没有被初始化,则先初始化其父类。
4)当虚拟机启动时,用户指定的执行main的主类需要被优先初始化。
5)当使用JDK1.7的动态语言支持时,如果一个java.lang.invoke.MethodHandle的实例最后被解析结果是REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄时,这个方法句柄对应的类需要被优先初始化。

类加载过程

加载

在加载阶段,虚拟机需要完成以下3个事情:

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运行时的数据结构。
3)在内存中生成代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这个类的各种数据访问的入口

验证

验证是连接阶段的第一步,这一阶段主要目的确保Class文件的字节流符合当前虚拟机的要求,不危害虚拟机自身的安全。

文件格式的验证

  • 是否以魔数0XCAFEBABE开头。
  • 主次版本号是否在当前虚拟机处理的范围之内。
  • 常量池常量是否有不被支持的类型
    ……

元数据验证

  • 这个类是否有父类
  • 这个类是否继承了不允许被继承的类(被final修饰的类)。
  • 非抽象类,是否实现接口或者父类要求被实现的所有方法。
  • 类中字段、方法是否与父类产生矛盾
    ……

字节码验证

  • 保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作。
  • 保证跳转的指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
  • 保证方法体类型转换是有效的。
    …..

引用符号验证

  • 符号引用通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。
  • 指定类是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段。
  • 符号引用中的类、字段、方法的访问性。
    ……

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分配。这里的类变量仅包括类的静态变量,不包括实例对象。

解析

解析阶段是虚拟机将常量池的符号引用替换成直接引用的过程。

类和接口的解析
判断所要转化成的直接引用是对数组类型,还是普通的对象类型的引用,从而进行不同的解析。

字段解析
对字段进行解析时,会先在本类中查找是否包含有简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段,如果有,则查找结束;如果没有,则会按照继承关系从上往下递归搜索该类所实现的各个接口和它们的父接口,还没有,则按照继承关系从上往下递归搜索其父类,直至查找结束。

类方法解析
对类方法的解析与对字段解析的搜索步骤差不多,只是多了判断该方法所处的是类还是接口的步骤,而且对类方法的匹配搜索,是先搜索父类,再搜索接口。

接口方法解析
与类方法解析步骤类似,只是接口不会有父类,因此,只递归向上搜索父接口就行了。

初始化

初始化是类加载过程的最后一步,到了此阶段,才真正开始执行类中定义的Java程序代码。在准备阶段,类变量已经被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,或者可以从另一个角度来表达:初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。

类加载器

类加载器虽然只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的加载阶段。对于任意一个类,都需要由它的类加载器和这个类本身一同确定其在就Java虚拟机中的唯一性,也就是说,即使两个类来源于同一个Class文件,只要加载它们的类加载器不同,那这两个类就必定不相等。这里的“相等”包括了代表类的Class对象的equals()、isAssignableFrom()、isInstance()等方法的返回结果,也包括了使用instanceof关键字对对象所属关系的判定结果。

在Java虚拟机中,只存在2中不同的类加载器:

  • 启动类加载器,这个类是使用C++语言实现,是虚拟机自身的一部分。
  • 所有其他的类加载器:这些类加载器都由Java语言实现,独立于虚拟机之外,并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader,这些类加载器需要由启动类加载器加载到内存中之后才能去加载其他的类。

类加载器还可以划分的更为细致一些,绝大部分的Java程序都是使用以下3中系统提供的类加载器。

  • 启动类加载器,这个类负责将存放在$JAVA_HOMElib,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中,并且是虚拟机识别的类库加载到内存中。启动类加载器无法直接被java程序直接引用,用户编写自定义加载器时,如果需要把加载请求委派给引导类加载器,那直接使用null代替即可。
  • 扩展类加载器:Extension ClassLoader,该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,它负责加载$JAVA_HOMEjrelibext目录中,或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库(如javax.*开头的类),开发者可以直接使用扩展类加载器。
  • 应用程序类加载器:Application ClassLoader,该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现,它负责加载用户类路径(ClassPath)所指定的类,开发者可以直接使用该类加载器,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。

双亲委派模型

类加载器的双亲委派模型

上图所示的这种层次关系称为类加载器的双亲委派模型。我们把每一层上面的类加载器叫做当前层类加载器的父加载器,当然,它们之间的父子关系并不是通过继承关系来实现的,而是使用组合关系来复用父加载器中的代码。该模型在JDK1.2期间被引入并广泛应用于之后几乎所有的Java程序中,但它并不是一个强制性的约束模型,而是Java设计者们推荐给开发者的一种类的加载器实现方式。

双亲委派模型的工作流程是: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,而是把请求委托给父加载器去完成,依次向上,因此,所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中,只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时,即无法完成该加载,子加载器才会尝试自己去加载该类。

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系,有一个很明显的好处,就是Java类随着它的类加载器(说白了,就是它所在的目录)一起具备了一种带有优先级的层次关系,这对于保证Java程序的稳定运作很重要。例如,类java.lang.Object类存放在JDKjrelib下的rt.jar之中,因此无论是哪个类加载器要加载此类,最终都会委派给启动类加载器进行加载,这边保证了Object类在程序中的各种类加载器中都是同一个类。

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