【JVM.6】虚拟机类加载机制

一.概述

虚拟机类加载机制：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。

与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同，在Java语言里面，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，这种策略虽然会令类型加载时稍微增加一些性能开销，但是会为Java应用程序提供高度的灵活性，Java里天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期间动态加载和动态连接这个特点实现的。

 

二.类加载的时机

　　类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparetion）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接（Linking）。如图

图中，加载、验证、准备、初始化和卸载5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这就是为了支持Java语言的运行时绑定。

什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段：加载？Java虚拟机规范中并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则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、准备需要在此之前）

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，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象时候、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个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，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

3.　　到初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行初始化，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（包括main（）方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。

5.　　当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行初始化，则需要先触发其初始化。

这五种场景中的行为称为对一个类进行主动引用，除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

下面举三个栗子。

第一个栗子：

package jvm.loading;

/**
* 被动使用类字段演示 一
* 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
*/
public class SuperClass {
public static int value = 123;
static {
System.out.println("SuperClass init");
}
}

public class SubClass extends SuperClass{
static {
System.out.println("SubClass init");
}
}

public class NotInitialization {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(SubClass.value);
}
}

输出结果：

SuperClass init
123

分析：上述代码运行之后，只会输出“SuperClass init”，而不会输出“SubClass init”。对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用分类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。

 

第二个例子(复用部分代码)：

/**
* 被动使用类字段演示二：
* 通过数据定义来引用类，不会触发此类的初始化
*/
public class NotInitialization2 {
public static void main(String[] args) {
SuperClass[] array = new SuperClass[10];
}
}

输出结果：

 

分析：运行结果没有输出任何内容，没有触发类SuperClass的初始化阶段。

 

第三个例子：

/**
* 被动使用演示3
* 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化
*/
public class ConstClass {
static {
System.out.println("ConstClass init");
}
public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}

/**
* 非主动使用类字段演示
*/
public class NotInitialization3 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
}
}

输出结果：

hello world

分析：上述代码没有输出“ConstClass init”，这是因为虽然在Java源码中引用了ConstClass类中的常量HELLOWORLD，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值“hello world”存储到了NotInitialization3类的常量池中，以后

NotInitialization3对常量ConstClass.HELLOWORLD的引用实际都被转化为NotInitialization3类对自身常量池的引用了。也就是说，实际上NotInitilization的Class文件之中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译成Class之后就不存在任何联系了。

 

三.类加载的过程

　　接下来详细讲解Java虚拟机加载的全过程，也就是加载、验证、准备、解析和初始化这5个阶段所执行的具体动作。

 

1.　　加载（Class Loading）

　　“加载”是“类加载”过程的一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下3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，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

　　对于数据类而言，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。 

　　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。

 

2.　　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，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，编译器做拒绝编译。

　　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：

• 是否以魔数 0xCAFEBABE 开头。
• 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。
• 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。
• CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。
• 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。
• ......

　　该验证阶段的只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。

（2）元数据验证：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。这一阶段可能包括下面这些验证点：

• 这个类是否有父类（除了Object类之外，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了矛盾（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）。
• ......

　　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）字节码校验：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。

• 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，例如不会出现类似这样的情况：在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中。
• 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时有效的，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。
• ......

（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，这个转化动作将在连接的第三阶段--解析阶段发生。这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号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（private、protected、public、default）是否可以被当前类访问。
• ......

　　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.NoSuchFieldError等。

 

3.　　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中进行分配。

　　

　　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，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赋值为123。

 

4.　　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。

• 符号引用（Symbolic Reference）：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。虚拟机能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（Direct References）：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。

　　对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情，除invokedynameic指令以外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存从而避免解析动作重复进行。

 

5.　　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。

　　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。

• <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，在前面的静态语句块可以赋值，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);    //这句编译器会提示‘非法向前引用’
  }
  }

• <clinit>()方法与类的构造函数不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证子类的<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此第一个执行的<clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。
• 由于父类的<clinit>()方法先执行，
• <clinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的。
• 接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成<clinit>()方法。但接口与类不同的是，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使用时，父接口才会初始化。

 

四.类加载器

 　　虚拟机设计团队把类加载阶段中“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便应用程序自己决定如何去获取所需要的类，实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

1.　　类与类加载器

　　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，每一个类加载器都拥有一个独立的类名称空间。这句话表达得更通俗一点：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。（这里所指的“相等”，包括equals（）方法、isAssignableFrom（）方法、isInstance（）方法）。

看个代码例子：不同的类加载器对 instanceof 关键字运算结果的影响

package jvm.loading;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class ClassLoaderTest {
public static void main(String[] args) throws Exception{
ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
@Override
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
if (is == null) {
return super.loadClass(name);
}
byte[] b = new byte[is.available()];
is.read(b);
return defineClass(name, b, 0, b.length);
} catch (IOException e) {
throw new ClassNotFoundException();
}
}
};
Object myObj = myLoader.loadClass("jvm.loading.ClassLoaderTest").newInstance();
System.out.println(obj.getClass());
System.out.println(myObj instanceof jvm.loading.ClassLoaderTest); //由两个类加载器分别进行加载
}
}

运行结果：

class jvm.loading.ClassLoaderTest
false

这段代码中，有两个ClassLoaderTest类，一个是由系统应用程序类加载器加载的，另外一个是由我们自定义的类加载器加载的，虽然都来自同一个Class文件，但依然是两个独立的类，做对象所属类型检查时结果自然为false。

 

2.　　双亲委派模型

　　从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都是由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.Classloader。从Java开发人员的角度来看，类加载器还可以划分得更细致一些，绝大部分Java程序都会使用到一下3种系统提供的类加载器。

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：前面已经介绍过，这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME>/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$ExtClassLoader实现，它负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
• 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher$App-ClassLoader实现。由于这个类加载器是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）上指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义或自己的类加载器，一般情况下这就是程序中默认的类加载器。

图：类加载器双亲委派模型

　　双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。

　　双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载器的请求，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。

 　　双亲委派模型的代码实现：

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
//首先，检查请求的类是否已经被加载
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
//父类加载器无法完成加载请求
}

if (c == null) {
//如果父类一直无法加载时，再调用本身的fideClass方法
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);

// this is the defining class loader; record the stats
sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}

 

 3.　　破坏双亲委派模型

　　双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致德，这里所说“动态性”指的是当前一些非常热门的名词：代码热替换（HotSwap）、模块热部署（Hot Deployment）等。