《深入理解Java虚拟机》学习笔记（五）（虚拟机类加载机制）

虚拟机类加载机制

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（Preparation）、 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）。其中，加载、 验证、 准备、 初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的。

图1 类的生命周期

类的加载

需要做什么？

• 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。

数组类的加载

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。 但数组类的元素类型需要靠类加载器去创建。

• 如果数组的组件类型（Component Type，指的是数组去掉一个维度的类型）是引用类型，那就递归去加载这个组件类型，数组C将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识
• 如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联。
• Class对象虽然是对象，但是存放在方法区里面

类的验证

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。包括四种：

• 文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。

  • 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
  • ……

• 该验证阶段的主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。 这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流

• 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：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。

• 符号引用验证：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

类的准备

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。这时候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。

• 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

解析

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。** 符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并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各不相同，但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，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。
  • 方法区中存放字面量和符号引用。符号引用包括类和接口的全限定名、字段的名称和描述符，方法的名称和描述符
• 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。 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。
• 除invokedynamic指令以外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标识为已解析状态）从而避免解析动作重复进行。
• 解析包括以下几种：
  • 1.类或接口的解析
    • 1）如果C（类或接口）不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N（未解析过的符号引用）的全限定名传递给D（当前代码所处的类）的类加载器去加载这个类C。 在加载过程中，由于元数据验证、 字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或实现的接口。 一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就宣告失败。
    • 2）如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类似“[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型。 如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。
    • 3）如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。 如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。
  • 2.字段解析
    要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。如果解析成功完成，那将这个字段所属的类或接口用C表示，虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索。
    • 1）如果C本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束
    • 2）否则，如果在C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
    • 3）否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
    • 4）否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

如果查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

• 3.类方法解析
  需要先解析出类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，我们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的类方法搜索。
  • 1）类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class_index中索引的C是个接口，那就直接抛java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
  • 2）如果通过了第1步，在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
  • 3）否则，在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
  • 4）否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，这时查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
  • 5）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。

最后，如果查找过程成功返回了直接引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不
具备对此方法的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

• 4.接口方法解析
  接口方法也需要先解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，依然用C表示这个接口，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索。
  • 1）与类方法解析不同，如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
  • 2）否则，在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
  • 3）否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类（查找范围会包括Object类）为止，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
  • 4）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

由于接口中的所有方法默认都是public的，所以不存在访问权限的问题，因此接口方法的符号解析应当不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

初始化

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

它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的＜clinit＞（）方法执行之前，父类的＜clinit＞（）方法已经执行完毕。 因此在虚拟机中第一个被执行的＜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块要优先于子类的变量赋值操作

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＜clinit＞（）方法。

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。

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＜clinit＞（）方法

类的初始化

什么时候开始？（对一个类进行主动引用。 除此以下5种情况之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。 ）

• 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。
  • 使用new关键字实例化对象的时候、 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
• 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。
• 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，则需要先触发其父类的初始化。
• 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。
• 当使用JDK 1.7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过初始化，则需要先触发其初始化。

接口的初始化

与类的初始化相同，除了第三点，一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。而且接口中，无法使用静态语句块。

类加载器

每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间

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：启动类加载器和所有其他类的加载器

• 启动类加载器：使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分
• 所有其他类的加载器：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。
  • 扩展类加载器：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：由sun.misc.Launcher $AppClassLoader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）上所指定的类库，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。

图2 类加载器双亲委派模型

双亲委派模型机制

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。 这里类加载器之间的父子关系一般不会以继（Inheritance）的关系来实现，而是都使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。

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。