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。
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(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),这7个阶段的发生顺序如图:
除此之外,下面几种情形需要特别指出:
对于一个final类型的静态变量,如果该变量的值在编译时就可以确定下来,那么这个变量相当于“宏变量”。Java编译器会在编译时直接把这个变量出现的地方替换成它的值,因此即使程序使用该静态变量,也不会导致该类的初始化。反之,如果final类型的静态Field的值不能在编译时确定下来,则必须等到运行时才可以确定该变量的值,如果通过该类来访问它的静态变量,则会导致该类被初始化。
“加载”是“类加载”(Class Loading)过程的一个阶段。在加载阶段,虚拟机需要完成以下3件事情:
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。
相对于类加载过程的其他阶段,一个非数组类的加载阶段(准确地说,是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作)是开发人员可控性最强的,因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器来完成,也可以由用户自定义的类加载器去完成,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(即重写一个类加载器的loadClass()方法)。
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由虚拟机实现自行定义,虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象(并没有明确规定是在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),这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。
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。
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()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,建议上面类变量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
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:
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。
使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候
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
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,但接口与类不太相同的是,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。
类加载器负责加载所有的类,其为所有被载入内存中的类生成一个java.lang.Class实例对象。一旦一个类被加载如JVM中,同一个类就不会被再次载入了。正如一个对象有一个唯一的标识一样,一个载入JVM的类也有一个唯一的标识。在Java中,一个类用其全限定类名(包括包名和类名)作为标识;但在JVM中,一个类用其全限定类名和其类加载器作为其唯一标识。
JVM预定义有三种类加载器,当一个 JVM启动的时候,Java开始使用如下三种类加载器:
类加载器加载Class大致要经过如下8个步骤:
1.检测此Class是否载入过,即在缓冲区中是否有此Class,如果有直接进入第8步,否则进入第2步。
2.如果没有父类加载器,则要么Parent是根类加载器,要么本身就是根类加载器,则跳到3.第4步,如果父类加载器存在,则进入第3步。
3.请求使用父类加载器去载入目标类,如果载入成功则跳至第8步,否则接着执行第5步。
4.请求使用根类加载器去载入目标类,如果载入成功则跳至第8步,否则跳至第7步。
5.当前类加载器尝试寻找Class文件,如果找到则执行第6步,如果找不到则执行第7步。
6.从文件中载入Class,成功后跳至第8步。
7.抛出ClassNotFountException异常。
8.返回对应的java.lang.Class对象。
双亲委派机制,其工作原理的是,如果一个类加载器收到了类加载请求,它并不会自己先去加载,而是把这个请求委托给父类的加载器去执行,如果父类加载器还存在其父类加载器,则进一步向上委托,依次递归,请求最终将到达顶层的启动类加载器,如果父类加载器可以完成类加载任务,就成功返回,倘若父类加载器无法完成此加载任务,子加载器才会尝试自己去加载,这就是双亲委派模式,即每个儿子都很懒,每次有活就丢给父亲去干,直到父亲说这件事我也干不了时,儿子自己才想办法去完成。
双亲委派机制的优势:采用双亲委派模式的是好处是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,通过这种层级关可以避免类的重复加载,当父亲已经加载了该类时,就没有必要子ClassLoader再加载一次。其次是考虑到安全因素,java核心api中定义类型不会被随意替换,假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类,通过双亲委托模式传递到启动类加载器,而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类,发现该类已被加载,并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Integer,而直接返回已加载过的Integer.class,这样便可以防止核心API库被随意篡改。
双亲委派模型的实现:
protected synchronized Class<?> loadClass(String name,boolean resolve)throws ClassNotFoundException
{
//首先,检查请求的类是否已经被加载过了
Class c=findLoadedClass(name);
if(c==null){
try{
if(parent!=null){
c=parent.loadClass(name,false);
}else{
c=findBootstrapClassOrNull(name);
}
}catch(ClassNotFoundException e){
//如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
//说明父类加载器无法完成加载请求
}
if(c==null){
//在父类加载器无法加载的时候
//再调用本身的findClass方法来进行类加载
c=findClass(name);
}
} if(resolve){
resolveClass(c);
}
return c;
}
双亲委派模型不是一个强制性的约束模型,有被破坏的情况:
第一次是因为兼容老版本的JDK,这个模型在1.2版本才出现,但是ClassLoader在1.0就存在了。添加了一个protected方法findClass(),之前版本继承ClassLoader唯一目的就是重写loadClass方法,因为虚拟机会去调用loadClassInternal方法,这个方法就是执行loadClass()。1.2之后就不提倡重写loadClass了,而是写findClass方法,因为loadClass的基本逻辑已经写好,父类加载失败,就会调用自己的findClass进行加载,这样保证新写出来的类加载器是符合双亲委派模型的。
第二次破坏是因为双亲委派模型自身的缺陷,作为顶层的类通常是被底层类调用的,但是如果顶层的基本类调用了底层的用户类就麻烦大了。顶层的类加载器并不认识用户的类,这样如何去加载这个类呢?典型的例子就是JNDI服务,其目的是对资源进行集中管理和查找,需要调用应用程序的classpath的代码。比如SPI服务发现:这里。可以看到系统类需要加载自己写的类,这个就麻烦了。为了解决这个问题,设计了一个线程上下文加载器Thread Context ClassLoader。这个类加载器可以通过Thread类的setContextClassLoader方法进行设置,如果创建线程的时候没有设置,将会从父线程中继承一个,全局范围都没有设置,默认就是应用程序类加载器。设置了这个,就可以在父加载器中获取子加载器,让其进行加载类了。这是无奈之举,很多SPI加载动作都采用了这种方式,比如:JNDI、JDBC、JCE、JAXB、JBI等。
第三次被破坏是由于追求动态性导致的。比如:代码热替换,模块热部署等。比较出名的就是OSGi这个事实上的Java模块化标准,其模块热部署的关键就是它自定义的类加载器实现机制。每个模块(Bundler)都有一个自己的类加载器,当需要更换一个Bundle时,把Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码热替换。