JVM之虚拟机类加载机制

nsiy
215 阅读6分钟

类加载的时机

类的声明周期

类的生命周期

类从生到死（加载到虚拟机内存到卸载出内存）的整个周期包括了

1.加载 (Loading)
2.验证(Verification)
3.准备(Preparation)
4.解析(Resolution)
5.初始化 (Initialization)
6.使用(Using)
7.卸载(Unloading)

这7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接(Linking)。

生命周期执行顺序

除了解析这个步骤其他都是按照此顺序开始执行

由于为了支持动态绑定，所以解析不一定是按部就班的开始。

类加载的过程

加载 (Loading)

  • 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
  • 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。
  • 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。

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。

验证(Verification)

验证是连接的第一个阶段，为了确保字节流内的信息不存在安全问题而影响虚拟机运行，所以需要验证操作。

由于Class文件并没有规定必须是JAVA代码生成，所以对其进行验证成为必须的步骤。 规范中列举了一些Class文件格式中的静态和结构化约束，如果验证到输入的字节流不符合 Class文件格式的约束，虚拟机就应抛出一个java.lang.VerifyError异常或其子类异常。

文件格式验证

主要目的：

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。基于二进制字节流进行 ,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。

验证范围：

  • 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。
  • ......

元数据验证

主要目的：

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。 验证范围：

  • 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

主要目的：

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。 验证范围：

  • 保证方法体中的类型转换是有效的。
  • 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。
  • 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
  • ......

符号引用验证

主要目的：

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。 验证范围：

  • 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。
  • ......

准备

  • 描述： 为 static 变量在方法区分配内存。
  • static 变量准备后的初始值：
    • public static int value = 123;
      • 准备后为 0，value 的赋值指令 putstatic 会被放在 <client>() 方法中，<client>()方法会在初始化时执行，也就是说，value 变量只有在初始化后才等于 123。
    • public static final int value = 123;
      • 准备后为 123，因为被 static final 赋值之后 value 就不能再修改了，所以在这里进行了赋值之后，之后不可能再出现赋值操作，所以可以直接在准备阶段就把 value 的值初始化好。

解析

  • 描述： 将常量池中的 “符号引用” 替换为 “直接引用”。
    • 在此之前，常量池中的引用是不一定存在的，解析过之后，可以保证常量池中的引用在内存中一定存在。
    • 什么是 “符号引用” 和 “直接引用” ？
      • 符号引用：以一组符号描述所引用的对象（如对象的全类名），引用的目标不一定存在于内存中。
      • 直接引用：直接指向被引用目标在内存中的位置的指针等，也就是说，引用的目标一定存在于内存中。

初始化

  • 描述： 执行类构造器 <client>() 方法的过程。
  • <client>() 方法
    • 包含的内容：
      • 所有 static 的赋值操作；
      • static 块中的语句；
    • <client>() 方法中的语句顺序：
      • 基本按照语句在源文件中出现的顺序排列；
      • 静态语句块只能访问定义在它前面的变量，定义在它后面的变量，可以赋值，但不能访问。
    • 与 <init>() 的不同：
      • 不需要显示调用父类的 <client>() 方法；
      • 虚拟机保证在子类的 <client>() 方法执行前，父类的 <client>() 方法一定执行完毕。
        • 也就是说，父类的 static 块和 static 字段的赋值操作是要先于子类的。
    • 接口与类的不同：
      • 执行子接口的 <client>() 方法前不需要先执行父接口的 <client>() 方法（除非用到了父接口中定义的 public static final 变量）；
    • 执行过程中加锁：
      • 同一时刻只能有一个线程在执行 <client>() 方法，因为虚拟机要保证在同一个类加载器下，一个类只被加载一次。
    • 非必要性：
      • 一个类如果没有任何 static 的内容就不需要执行 <client>() 方法。

注：初始化时，才真正开始执行类中定义的 Java 代码。

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