Java虚拟机06——类加载机制

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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

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,虽然会令类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,就是以来运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。

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)->卸载(Unloading)。其中,验证,准备,解析3部分统称为连接。如图

image.png

  • 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;
  • 在某些情况下,解析阶段可以在初始化阶段之后再开始,这是为了支持Java语言的运行时绑定(也称为动态绑定或晚期绑定)。
  • 这些阶段一般都是互相交叉地混合式进行的,在一个阶段执行的过程中通常会调用、激活另外一个阶段。

类加载第一过程: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。对于初始化,虚拟机规范则是严格规定了有且仅有7种情况必须立即对类进行“初始化”(而加载、验证、准备自然需要在此之前)

  1. 使用new关键字实例化对象的时候
  2. 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)
  3. 调用一个类的静态方法的时候
  4. 使用Java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候
  5. 初始化子类,会先初始化父类
  6. 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
  7. 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。

类加载的过程

加载

加载时类加载(Class Loading)过程的一个阶段。在加载阶段,虚拟机需要完成以下三件事:

  1. 通过一个类的全限定名称来获取定义此类的二进制流。
  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

虚拟机实现与具体应用的灵活度都是相当大的,如第一条,虚拟机设计团队设计了如下举足轻重的技术:

  • 从ZIP包中读取,这很常见,最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础
  • 从网络中获取,这种场景最典型的应用就是Applet
  • 运行时计算生成,动态代理技术,在Proxy类中,就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流
  • 由其他文件生成,典型场景就是JSP应用,即由JSP文件生成对应的Class类
  • 从数据库中读取,如有些中间件服务器(如SAP Netweaver)可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。

一个非数组类的加载阶段(加载阶段中获取类的二进制字节码)时开发人员可控性最强的。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

对于数组类而言,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,一个数组类创建过程就遵循以下规则

  1. 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,那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型,数组将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识(一个类必须与类加载器一起确定唯一性)。
  2. 如果数组的组件类型不是引用类型(例如int[]数组),Java虚拟机会把数组标记为与引导类加载器关联。
  3. 数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致,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,方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象,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。

注:对于HotSpot虚拟机而言,Class对象比较特殊,它虽然是对象,但存放在方法区里面。

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。

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需求,并且不会危害虚拟机自身的安全。从整体上看,验证阶段大致上会完成下面4个阶段的校验动作:

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。可能包括以下验证点:

  • 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。
  • ...

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,不会再验证字节流

元数据验证

第二阶段是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,这个阶段可能的验证点如下:

  • 这个类是否有父类(除了java.lang.Object之外,所有类都应当有父类)。
  • 这个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所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等)。
  • ...

字节码验证

主要目的是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中的数据类型做完校验后,这个阶段将对方法体进行校验分析,例如:

  • 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:在操作数栈放置了一个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是有效的,例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型,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,则是危险不合法的。
  • ...

如果一个类方法体的字节码没有通过字节码验证,那肯定是有问题的;但如果一个方法体通过了字节码验证,也不能说明其一定就是安全的。即使字节码验证之中进行了大量的检查,也不能保证这一点。

由于数据流验证的高复杂性,虚拟机设计团队为了避免过多的时间消耗在字节码验证阶段,在JDK 1.6之后的Javac编译器和Java虚拟机中给方法体的Code属性的属性表中增加了一项StackMapTable属性,用于描述了方法体中所有的基本块(Basic Block,按照控制流拆分的代码块)开始时本地变量表和操作栈应有的状态,在字节码验证期间,就不需要根据程序推导这些状态的合法性,只需要检查StackMapTable属性中的记录是否合法即可。这样将字节码验证的类型推导转变为类型检查从而节省一些时间。

在JDK 1.6的HotSpot虚拟机中提供了-XX:-UseSplitVerifier选项来关闭这项优化,或者使用参数-XX:+FailOverToOldVerifier要求在类型校验失败的时候退回到旧的类型推导方式进行校验。而在JDK 1.7之后,对于主版本号大于50的Class文件,使用类型检查来完成数据流分析校验则是唯一的选择,不允许再退回到类型推导的校验方式。

符号引用验证

符号引用验证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,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合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.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

对于虚拟机的类加载机制来说,验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要(因为对程序运行期没有影响)的阶段。如果所运行的全部代码(包括自己编写的及第三方包中的代码)都已经被反复使用和验证过,那么在实施阶段就可以考虑使用-Xverify:none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。

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。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下,首先,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。其次,这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值,假设一个类变量的定义为public static int value = 123,那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123,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123的动作将在初始化阶段才会执行。下表列出了Java中所有基本数据类型的零值:

数据类型 零值
int 0
long 0L
short (short)0
char ‘\u0000’
byte (byte)0
boolean false
float 0.0f
double 0.0d
reference null

假设上面类变量value的定义被修饰为final,则value会变为常量,此时value的字段属性表中存在ConstantValue属性,在准备阶段变量value会被初始化为ConstantValue属性所指定的值,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。

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 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。
  • 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。

解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行,分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info这7种常量类型。下面先介绍前4种。

类或接口的解析

假设当前类为D,需要将未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用,主要有三个步骤:

  1. 如果C是非数组类型,D的类加载器会根据代表N的全限定名去加载C,加载过程中可能会触发其他相关类的加载。
  2. 如果C是数组类型,且数组的元素类型为非基本类型,那么首先会按第一步中的方式加载数组元素类型,然后生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。
  3. 如果前两步没有出现任何异常,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。

字段的解析

要解析一个未被解析过的字段符号引用,首先将会对字段表的第一个index索引项指向的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析,也就是字段所在的类或接口的符号引用。如果在解析这个类或接口符号引用的过程中出现了任何异常,都会导致字段符号引用解析的失败。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。 如果有一个同名字段同时出现在C的接口和父类中,或者同时在自己或父类的多个接口中出现,那编译器将可能拒绝编译。

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。

类方法的解析

类方法解析的第一个步骤与字段解析一样,也需要先解析出类方法表的第一个index索引项指向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第一个index索引项指向的C是个接口,那就直接抛出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。

接口方法的解析

接口方法也需要先解析出接口方法表中指向声明方法的类或接口描述符的符号引用,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声明方法的类或接口描述符中的索引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。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。

  • <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{}代码块)中的语句合并产生的.
  • <clinit>()方法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。
  • 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。
  • 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。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>()方法在多线程环境中被正确地加锁、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去执行这个类的<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。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作,就可能造成多个线程阻塞,在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。需要注意的是,其他线程虽然会被阻塞,但如果执行<clinit>()方法的那条线程退出<clinit>()方法后,其他线程唤醒之后不会再次进入<clinit>()方法。同一个类加载器下,一个类型只会初始化一次。
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