Java类加载机制

简介

在Java的世界里,每一个类或者接口,在经历编译器后,都会生成一个个.class文件。

类加载机制指的是将这些.class文件中的二进制数据读入到内存中,并对数据进行校验,解析和初始化。最终,每一个类都会在方法区保存一份它的元数据,在堆中创建一个与之对应的Class对象。

类的生命周期,经历7个阶段,分别是加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。

除了使用卸载两个过程,前面的5个阶段 加载、验证、准备、解析、初始化 的执行过程就是类的加载过程。

类加载的时机

大多数人在问 “类什么时候加载” 和 “类什么时候初始化” ,从语境上来说,都是在问同一个问题,就是这个.class文件什么时候被读取到虚拟机的内存中,并且达到可用的状态。

但严格意义上来说,加载和初始化,是类生命周期的两个阶段。

对于什么时候加载,Java虚拟机规范中并没有约束,各个虚拟机都可以按自身需要来自由实现。但绝大多数情况下,都遵循“什么时候初始化”来进行加载。

什么时候初始化?Java虚拟机规范有明确规定,当符合以下条件时(包括但不限于),虚拟机内存中没有找到对应类型信息,则必须对类进行“初始化”操作:

  • 使用new实例化对象时、读取或者设置一个类的静态字段或方法时
  • 反射调用时,例如 Class.forName("com.xxx.MyTest")
  • 初始化一个类的子类,会首先初始化子类的父类
  • Java虚拟机启动时标明的启动类
  • JDK8 之后,接口中存在default方法,这个接口的实现类初始化时,接口会其之前进行初始化
初始化阶段开始之前,自然还是要先经历 加载、验证、准备 、解析的。

类的加载过程

从简介中,我们知道,类的加载过程分 5 个阶段,其中 验证、准备、解析 可以归纳为 “连接” 阶段。

Java类加载机制_第1张图片

需要注意的是,这5个阶段,并不是严格意义上的按顺序完成,在类加载的过程中,这些阶段会互相混合,交叉运行,最终完成类的加载和初始化。

例如在加载阶段,需要使用验证的能力去校验字节码正确性。在解析阶段,也要使用验证的能力去校验符号引用的正确性。或者加载阶段生成Class对象的时候,需要解析阶段符号引用转直接引用的能力等等......

接下来,我们详细分解一下,这5个阶段,都做了什么事情。

加载

加载是类加载过程的第一个阶段,在加载阶段,虚拟机需要完成以下三件事情:

  1. 通过一个类的全限定名去找到其对应的.class文件
  2. 将这个.class文件内的二进制数据读取出来,转化成方法区的运行时数据结构
  3. 在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为对方法区中这些数据的访问入口
Java虚拟机并没有规定类的字节流必从.class文件中加载,在加载阶段,程序员可以通过自定义的类加载器,自行定义读取的地方,例如通过网络、数据库等。

验证

Class文件中的内容是字节码,这些内容可以由任何途径产出,验证阶段的目的是保证文件内容里的字节流符合Java虚拟机规范,且这些内容信息运行后不会危害虚拟机自身的安全

验证阶段会完成以下校验:

文件格式验证:验证字节流是否符合Class文件格式的规范。例如:是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型 ...... 等等

元数据验证:对字节码描述的元数据信息进行语义分析,要符合Java语言规范。例如:是否继承了不允许被继承的类(例如final修饰过的)、类中的字段、方法是否和父类产生矛盾 ...... 等等

字节码验证:对类的方法体进行校验分析,确保这些方法在运行时是合法的、符合逻辑的。

符号引用验证:发生在解析阶段,符号引用转为直接引用的时候,例如:确保符号引用的全限定名能找到对应的类、符号引用中的类、字段、方法允许被当前类所访问 ...... 等等

验证阶段是非常重要的,但不是必须的,它对程序运行期没有影响,如果所引用的类经过反复验证,那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施,以缩短虚拟机类加载的时间。

验证阶段不是必须的,虽然这个阶段非常重要。Java虚拟机允许程序员主动取消这个阶段,用来缩短类加载的时间,可以根据自身需求,使用 -Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施。

准备

这个阶段,类的静态字段信息(即使用 static 修饰过的变量)会得到内存分配,并且设置为初始值

对于该阶段有以下几个知识点需要注意:

1、内存分配仅包括 static 修饰过的变量,而不包括实例变量,实例变量得等到对象实例化时分配内存。

2、初始值指的是变量数据类型的默认值,而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。但是,当字段信息被 final 修饰成常量(ConstantValue)时,这个初始值就是Java代码中显式地赋予的值。

例如:public static int value = 3
类变量 value 在准备阶段设置的初始值 是 0,不是 3。把value赋值为3的 putstatic 指令是在程序编译后,存放于类构造器 () 方法中的,所以把 value 赋值为 3 的动作将在初始化阶段才会执行。
当使用 final 修饰后:public static  final int value = 3
类变量 value 在准备阶段设置的初始值 是 3,不是 0。

3、在JDK8取消永久代后,方法区变成了一个逻辑上的区域,这些类变量的内存实际上是分配在Java堆中的。

解析

这个阶段,虚拟机会把这个Class文件中,常量池内的符号引用转换为直接引用。主要解析的是 类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄等符号引用。我们可以把解析阶段中,符号引用转换为直接引用的过程,理解为当前加载的这个类,和它所引用的类,正式进行“连接“的过程

什么是符号引用?
Java代码在编译期间,是不知道最终引用的类型,具体指向内存中哪个位置的,这时候会用一个符号引用,来表示具体引用的目标是"谁"。Java虚拟机规范中明确定义了符号引用的形式,符合这个规范的前提下,符号引用可以是任意值,只要能通过这个值能定位到目标。

什么是直接引用?
直接引用就是可以直接或间接指向目标内存位置的指针或句柄。

引用的类型,还未加载初始化怎么办?
当出现这种情况,会触发这个引用对应类型的加载和初始化。

初始化

这是类加载的最后一个步骤啦,初始化的过程,就是执行类构造器 ()方法的过程

当初始化完成之后,类中static修饰的变量会赋予程序员实际定义的“值”同时类中如果存在static代码块,也会执行这个静态代码块里面的代码

() 方法的作用是什么?

还记得么?在准备阶段,已经对类中static修饰的变量赋予了初始值。() 方法的作用,就是给这些变量赋予程序员实际定义的“值”。同时类中如果存在static代码块,也会执行这个静态代码块里面的代码。

() 方法是什么?

() 方法 和 方法是不同的,它们一个是“类构造器”,一个是实例构造器。
Java虚拟机会保证子类() 方法在执行前,父类的 () 已经执行完毕。而 方法则需要显性的调用父类的构造器。
() 方法由编译器自动生成,但不是必须生成的,只有这个类存在static修饰的变量,或者类中存在静态代码块但时候,才会自动生成()方法。

加载过程总结

当一个符合Java虚拟机规范的字节流文件,经历 加载、验证、准备、解析、初始化这些阶段相互协作执行完成之后,加载阶段读取到的Class字节流信息,会按虚拟机规定的格式,在方法区保存一份,然后Java 堆中,会创建一个 java.lang.Class 类的对象,这个对象描述了这个类所有信息,也提供了这个类在方法区的访问入口。

方法区中,使用同一加载器的情况下,每个类只会有一份Class字节流信息
Java堆中,使用同一加载器的情况下,每个类只会有一份 java.lang.Class 类的对象

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