虚拟机中的类加载机制

2023-03-11 16:21| 来源: 网络整理| 查看: 265

1、为什么要了解虚拟机的类加载机制？

你能准确说出下面代码的打印内容吗？

public class SSClass { static { System.out.println("SSClass init!"); } } public class SuperClass extends SSClass { static { System.out.println("SuperClass init!"); } public static int value = 123; public SuperClass() { System.out.println("SuperClass Construct!"); } } public class SubClass extends SuperClass { static { System.out.println("SubClass init!"); } static int a; public SubClass() { System.out.println("SubClass Construct!"); } } public class NotInitialization { public static void main(String[] args) { System.out.println(SubClass.value); } }2、类的加载过程

把class文件加载到内存中，使虚拟机可识别成我们写的java代码。

定义：虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，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，这就是虚拟机的类加载机制。

它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段，其中验证、准备、解析3个阶段统称为连接，这7个阶段的发生顺序如下图所示：

2.1、加载（Loading）

数据结构转化（静态存储结构转化为方法区运行时数据结构）和类在方法区的初始化。加载是类加载的一个阶段，主要完成以下三件事：

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；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；在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。该Class类对象没有明确规定是在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。2.2、验证（Verification）

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的安全。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：验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能够被当前版本的虚拟机处理，例如：是否以魔术0xCAFEBABE开头；主、次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内；常量池的常量是否有不被支持的类型；元数据验证：验证字节码的描述信息，保证其描述的信息系符合Java语言规范的要求，例如：这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应该有父类）；这个类是否继承了不允许继承的类（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中要求实现的所有方法；字节码验证：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，例如：保证跳转指令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是有效的；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，例如：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；符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可以被当前类访问；2.3、准备（Preparation）

在方法区中类变量分配内存并设置初值。

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中进行分配。在准备阶段要注意以下两点：

这时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；变量的初始值在“通常情况”下是数据类型的零值：

但也会有一些“特殊情况”，若类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，例如：public static final int value = 123;

2.4、解析（Resolution）

将符号引用替换为直接引用。

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，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。符号引用和直接引用的关联如下：

符号引用：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，引用的目标不一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以不同，但是它们能够接受的符号引用必须是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。直接引用：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能简介定位到目标的句柄，直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同虚拟机上翻译出来的直接引用一般会不相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。2.5、初始化（Initialization）

执行类构造器clinit()的过程。

初始化是类加载过程的最后一步，此阶段根据程序员编写的程序制定的计划去初始化类变量和其他资源，或者可以说初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。

()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，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，在前面的语句块可以赋值，但是不能访问。()方法与类的构造函数（或者说实例构造器()方法）不同，它不需要显示地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕。由于父类的()方法先执行，所以父类的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。()方法对于类或者接口来说不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成()方法。接口中不能有静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口也会生成()方法，与普通类不同的是，执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法，只有当父接口的变量使用时，才会初始化，另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确的加载、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去执行这个类的()方法，其它线程都需要阻塞等待。

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（而加载、验证、准备要在此之前开始）：

遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic四个字节码指令，对应java场景就是new关键字实例化对象、读取或者设置一个静态字段（被final修饰、已在编译期将结果放入常量池的静态变量除外）以及调用一个类的静态方法。使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用。初始化一个类，但是发现其父类还没有初始化，此时会触发父类初始化。虚拟机启动的时候需要指定一个要执行的主类，进行初始化

除了上述几种场景之外，其他所有引用类的方式都不会触发初始化，被称为被动引用，比如：

对于静态字段，只有直接定义了这个字段的类才会被初始化，因此通过子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化。（开始的例子）在创建数组时并不会初始化，在编程不注意的时候可能常常因为没有初始化数组导致空指针的情况。它仅仅做了创建一个大小为10的数组。final修饰的常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接饮用到定义常量的类。2.6、类加载器-双亲委派模型

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加载阶段。类加载主要有以下几个作用：

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；审查每一类应该有谁加载，它是一种父优先的等级加载机制；将Class字节码重新解析成JVM统一要求的对象格式。

对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都有一个独立的类名称空间。即比较两个类是否相等，只有在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。这里说的相等，包括equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。

从JVM的角度来看，只存在两种类加载器：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用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，独立于虚拟机外部，并且全部继承自java.lang.ClassLoader。

从Java开发人员的角度来看，类加载器的划分更为细致，大部分Java程序都会用到以下3种系统提供的类加载器：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这个类加载器负责将存放在\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库。应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现，这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，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。

这些类加载器之间的关系如下：

这种层次关系，称为类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation Model），该模型要求除了顶层的启动类加载器之外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。类加载器之间的父子关系一般不会以继承的方式实现，而是使用组合关系来复用父加载器的代码。

双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了加载类的请求，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类加载器中。只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载。

这种模式的好处就是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。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给启动类加载器加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反，若是没有双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个称为java.lang.Object的类，并放在ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，应用程序将会变得一片混乱。

JVM中并不是所有的类加载都符合双亲委派模型，存在破坏双亲委派的情况~

3、总结

回答：为什么要了解虚拟机的类加载机制？

写出更加可靠、优雅的代码帮助定位、解决问题苦练基本功，多多修炼内功总是有好处的

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