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JVM 学习笔记 | 虚拟机类加载机制

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转载自:[深入理解JVM(5)——虚拟机类加载机制 - 王泽远的博客Crow’s Blog](https://crowhawk.github.io/2017/08/21/jvm_5/)

虚拟机描述类的数据从 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。

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在上图中，加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的， 类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始（开始而不是完成，这些阶段是互相交叉着进行的，在一个阶段执行过程中就会激活另一个阶段）， 而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。

1. 类加载的时机

虚拟机规范中规定了有且只有发生5种情况的时候进行初始化:

  1. 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic这四条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则必须先触发其初始化。
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new : 实例化对象
getstatic : 读取一个类的静态字段 （被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）
putstatic : 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）
invokestatic : 调用一个类的静态方法的时候。
  1. 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化。
  2. 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。
  3. 当虚拟机启动时，用户需要制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；
  4. 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过初始化，则需要先触发其初始化；

说明:

  1. 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父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。

除了上面5种方式，除此之外所有引用类的方法都不会触发初始化，例如:

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

    public static int value = 123;
}
public class SubClass extends SuperClass
{
    static
    {
        System.out.println("SubClass init");
    }

    static int a;

}

// 非主动使用类字段演示

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

运行结果:

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SuperClass init!
123
  1. 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化，如SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
  2. 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。

2.加载

在加载过程，虚拟机需要完成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变成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。

非数组类的加载阶段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去完成，也可以使用用户自定义的加载器去完成。

数组类本身不通过类加载器去创建，它是由java虚拟机直接创建的,创建过程遵循以下规则:

  1. 如果数组的组件类型是引用类型，那就递归这个组件的加载过程去加载这个组件的类型， 数组将在加载该组件类型的类加载器的名称空间上被标示。
  2. 如果数组的组建类型不是引用类型(例如int[]数组),java 虚拟机将会把数组标记为与该引导类加载器关联
  3. 数组类的可见性与他的组件类型可见性一致，如果组件类型不是引用类型,那数组类的可见性将默认为public

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（并无明确规定是在Java 堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽是对象，但存放在方法区里）， 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。

类加载器:

在虚拟机提供了3种类加载器，引导（Bootstrap）类加载器、- 引导（Bootstrap）类加载器、系统（System）类加载器（也称应用类加载器），下面分别介绍

  • 引导（Bootstrap）类加载器 :

启动类加载器主要加载的是JVM自身需要的类，这个类加载使用C++语言实现的，是虚拟机自身的一部分，它负责将 <JAVA_HOME>/lib路径下的核心类库或-Xbootclasspath参数指定的路径下的jar包加载到内存中，注意必由于虚拟机是按照文件名识别加载jar包的，如rt.jar，如果文件名不被虚拟机识别，即使把jar包丢到lib目录下也是没有作用的(出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类)。

  • 引导（Bootstrap）类加载器 :

扩展类加载器是指Sun公司(已被Oracle收购)实现的sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类，由Java语言实现的，是Launcher的静态内部类，它负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录下或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位路径中的类库，开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

  • 系统（System）类加载器（也称应用类加载器）:

也称应用程序加载器是指 Sun公司实现的sun.misc.Launcher$AppClassLoader。它负责加载系统类路径java -classpath或-D java.class.path 指定路径下的类库， 也就是我们经常用到的classpath路径，开发者可以直接使用系统类加载器，一般情况下该类加载是程序中默认的类加载器，通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器。

双亲委派模式:

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3. 验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保输入的Class文件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，并且不会危害虚拟机自身的安全。 验证阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击。 从整体上看，验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作：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的处理范围之内
  • 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型（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。
  • 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。 ……

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。

2. 元数据验证

第二阶段是对字节码描述的信息（即类的元数据信息）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。例如下面这些验证点：

  • 该类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应有父类）
  • 该类的父类是否继承了不允许被继承的类（final修饰的类）
  • 若此类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法 ……
  • 该阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义检验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

3. 字节码验证

第三阶段的主要目的是进行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之后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，以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行为。

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——解析阶段中发生。 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。

4. 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

分配变量的属于类变量

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public static int value = 23;

变量的值在准备阶段结束后初始化为0,因为这时候尚未开启执行任何 Java 方法，而把value赋值为123的pushstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器<clinint>()方法中. 所以把 value赋值为123的动作将在初始化之后才执行。

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所指定的值。

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public static final int value = 23 ;

准备阶段这个值将会被赋值为 23

5.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。符号引用和直接引用的关联如下：

  • 符号引用（Symbol 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一致，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有关的，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，那么引用的目标必定已经在内存中存在。

虚拟机规范并未规定解析动作发生的具体时间，仅要求在执行anewarray、checkcast、getfield、getstatic、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，先对它们所使用的符号引用进行解析。] 所以虚拟机实现可以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。

对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的，除 invokedynamic 指令外（ invokedynamic指令是用于动态语言支持的，它所对应的引用称为“动态调用点限定符”，必须等到程序实际运行到这条指令的时候，解析动作才能进行）虚拟机实现可能会对第一次解析的结果进行缓存（将直接引用保存在运行时常量池中），无论是否真正执行了多次解析动作，虚拟机实现必须保证在同一个实体中，如果一个符号引用之前已经被成功解析过，后续的引用解析请求就应当一直成功，反之亦然。

解析动作主要针对以下7类符号引用

  • 类或接口
  • 字段
  • 类方法（静态方法）
  • 接口方法
  • 方法类型
  • 方法句柄
  • 调用点限定符

其中后三种与java的动态语言支持息息相关。

6. 初始化

类初始化阶段是“类加载过程”中最后一步，在之前的阶段，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，其它动作完全由虚拟机主导和控制，直到初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码）。

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，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它资源，简单说，初始化阶段即虚拟机执行类构造器<clinit>()方法的过程。

下面来详细讲解<clinit>()方法是怎么生成的，首先来了解此方法执行过程中可能会影响到程序运行行为的特点和细节：

  • <clinit>() 方法是由编译器自动收集类中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，编译器收集的顺序由语句在源文件中出现的顺序决定，特别注意的是，静态语句块只能访问到定义在它之前的类变量，定义在它之后的类变量只能赋值，不能访问。例如以下代码
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public class Test {
    static {
        i = 0;  // 给变量复制可以正常编译通过
        System.out.print(i);  // 这句编译器会提示“非法向前引用”  
    }
    static int i = 1;
}
  • <clinit>() 方法与类的构造函数（或者说实例构造器<init>() 方法）不同，不需要显式的调用父类的()方法。虚拟机会自动保证在子类的()方法运行之前，父类的`()`方法已经执行结束。因此虚拟机中第一个执行`()`方法的类肯定为`java.lang.Object`。 由于父类的`()`方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优于子类的变量赋值操作。例如以下代码：
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static class Parent {
        public static int A = 1;
        static {
            A = 2;
        }
}

static class Sub extends Parent {
        public static int B = A;
}

public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Sub.B);//输出结果是父类中的静态变量值A，也就是2
}
  • <clinit>()方法对于类或接口不是必须的，如果一个类中不包含静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，编译器可以不为该类生成<clinit>()方法。
  • 接口中不可以使用静态语句块，但仍然有类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。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>()方法在多线程环境下被正确的加锁和同步，如果多个线程同时初始化一个类，只会有一个线程执行这个类的<clinit>()方法，其它线程都会阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时的操作，就可能造成多个进程阻塞，在实际过程中此种阻塞很隐蔽。
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Java
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