第7章 虚拟机类加载机制

脚神
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第一节：Class类加载过程

  • 概述：
    • 本文描述，使用class代指类和接口
    • class文件，并非特指磁盘中的文件，包括二进制字节流

一、类加载的时机

  • 概述：class被加载到被卸载，生命周期的7个阶段

1、生命周期

  • 加载
  • 验证
  • 准备
  • 解析
  • 初始化
  • 使用
  • 卸载
  • 某些情况下，初始化之后才解析(动态绑定)

2、立即初始化

  • 对于初始化阶段，虚拟机规定了有且只有5种情况必须立即初始化(主动引用)：
  • new、getstatic、putstatic和invokestatic四个字节码指令。
    • java中new对象，读取或设置一个class的静态字段(被final修饰的话，是在常量池和类无关，故除外)以及调用一个class的静态方法。
  • 使用反射(reflect)，class没有初始化，立即初始化
  • 初始化class，发现其superclass未初始化，先初始化其父类
  • jvm启动，必须有主类(包含main()的类)，jvm先初始化主类
  • 使用jdk1.7动态语言支持时，MethodHandle实例最后的解析结果REF_getstatic、REF_putstatic、REF_invokestatic句柄时，立即初始化
  • 接口和类区别？
    • 类初始化时，要求其父类初始化，但是接口只有使用其父类的时候，才会初始化父类

第二节：class加载过程

  • 详细介绍class的生命周期，及其作用

一、加载阶段

  • 通过class的全限定名(包名+类名)，读取二进制流(从本地，网络，jar，zip，jsp等等)
  • 将class文件中的static存储结构转换为方法区的运行时数据结构
  • 内存中生成一个java.lang.Class对象，作为方法区这个类内容的访问入口(hotSpot是放在方法区)

非数组class加载：

  • 准确的说，是加载阶段获取二进制流，可控性最强。可以使用系统提供的class加载器，也可以使用自定义的class加载器(重写loadClass())。

数组类加载：

  • 数组类本身不通过class loader创建，是jvm直接创建
  • 数组类的元素类型(Element-Type，去掉所有维度)靠类加载器去创建
    • 引用类型(数组内元素是引用类型)：数组的组件类型(component Type，数组去掉一个维度)是引用类型，那就递归处理，该数组会在加载该组件类型的类加载器上做标记(class和类加载器必须一起确定唯一性)
    • 非引用类型(数组内元素是基本数据类型)：jvm把数组标记为该引导类加载器关联
    • 数组类的可见性和他的组件类型的可见性一致。如果组件类型不是应用类型，那么默认是public
  • 加载和验证阶段同步进行

二、验证阶段

概述：

  • 确保加载的class文件，符合要求，不会危害jvm安全
  • 如果加载了不符合jvm规范的字节流，会抛出java.lang.verifyError错误
  • 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：

  • 是否以魔数开头(x0cafebabe)
  • 主次版本号是否在jvm处理范围内
  • 常量池的常量中，是否有不被支持的常量类型
  • 指向常量池的索引中，是否有指向不存在的常量或者不符合类型的常量
  • CONSTANT_utf8_info是否有不符合utf8编码的数据
  • Class文件各个部分的是否有被删除的内容或附加的信息(文件的完整性)
  • 这个阶段是基于文件的二进制流进行的，然后流进入内存的方法区存储，后面的验证，均是基于内存的方法区存储结构进行，不在操作流

2、元数据验证(字节码描述信息进行语义分析，针对class相关内容)：

  • 这个class是否有父类(除Object外，所有的类都有父类)
  • 这个class继承是否符合规范(继承final)
  • 如果不是抽象类，是否实现了其父类或接口要求实现的方法
  • class中的字段是否和父类产生冲突

3、字节码验证阶段(class的方法体校验，就是code部分)

  • 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
  • 保证方法体内的类型转换有效
  • 为了节约验证时间，jdk6+给Code的属性表添加了StackMapTable属性：
    • 用来描述本地变量表和操作数栈应用的状态。
    • 这样字节码验证期间，无需推导状态合法性，只需要检查 StackMapTable是否合法即可

4、符号引用验证(jvm将符号引用转化为直接引用)

  • 这个阶段发生在连接的第三个阶段(解析阶段)
  • 对class自身以外的信息(常量池中各种符号引用)进行匹配性校验
  • 符号引用中，通过字符串描述能否通过全限定名找到对应的类
  • 指定class中是否符合方法的字段描述符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、public、default、protected)是否可以被当前类访问

三、准备阶段

概述：

  • 正式为class变量分配内存并赋值的阶段。这些变量内存都在方法区中：
    • 类变量(static)不包括obj变量(obj变量内存在堆中)
    • 这时候，给到的static 变量是默认值，而不是static属性值
      public static int value=123
      • 这时候的value值是0，而不是123，这是因为class没有被初始化，没有赋值
      • 把value赋值为123的putstatic指令是程序编译后，存放在()类构造器中
    • 如果修饰符中存在final(即constantValue属性)，那么准备阶段就会进行赋值
      • 因为编译阶段final直接进入到了常量池，和类本身没有关系

四、解析

概述：将常量池中的符号引用，替换成直接引用的过程

  • 符号引用：以一组符号来描述所引用的目标。可以是任何形式的字面量，只要能无歧义的定位即可。这时引用的目标不一定被加载在内存中
  • 直接引用：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。如果有了直接引用一定被加载在内存中

1、类或接口解析(当前类D，D中的引用符号N指向类或者接口C)

  • C不是数组：会把N的全限定名传给D的类加载去加载C
  • C是一个数组：
    • 元素对象：使用(C不是数组的规则)加载
    • 基本数据类型：jvm生成一个代表此数组维度和元素的数组对象
  • 权限验证：如果前面两步没有问题，那么验证D对C访问权限

2、字段解析(类或接口用C表示，已经解析成功)

  • 直接匹配：如果C本身包含了简单名称和字段描述都与目标相匹配的字段，直接返回字段的引用(其实就是C中有字段的详细信息，直接能找到)
  • C实现接口：无法直接匹配的情况，在从下向上递归搜索接口和父接口
  • C不是obj：无法直接匹配的情况，在从下向上递归搜索父类
  • 否则查找失败，抛出NoSuchFieldError异常
  • 权限校验，成功返回引用后，如果没有访问权限，抛出IllegalAccessError

3、类方法解析(static方法，已经解析成功的类或接口用C表示)

  • 类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中的class_index中发现是C是接口，那么抛出IncompatibleClassChangeError异常
  • 如果是类C，查找是否有简单名称和描述符都与目标匹配的方法，找到返回方法的直接引用。查找结束
  • 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匹配的方法，找到返回直接引用，查找结束
  • 否则，在类C实现的接口及其父接口中递归查找，是否有简单名称和描述符相匹配的方法。如果有匹配的方法说明类C是个抽象类，查找结束，抛出AbstractMethodError
  • 否则，查找方法结束，抛出NoSuchMethodError
  • 如果能找到该方法，最后验证权限，没有权限抛出IllegalAccessError异常

4、接口方法解析(解析成功的接口C)

  • 在接口方法中发现class_index中索引是类而不是接口， 直接抛出IncompatibleClassChangeError异常
  • 接口C中是否有简单名称和描述符相匹配的方法，有返回直接引用
  • 否则，在接口C的父接口中递归查找简单名称和描述符相匹配的方法，如果找到返回引用
  • 最后没有找到，抛出NoSuchMethodError异常
  • 接口中方法都是public，不存在权限问题

五、初始化阶段

概述：

  • 前面阶段除在加载阶段用户可以自己定义class loader外，其他均由jvm自动完成
  • 初始化阶段，才正式开始执行class字节码文件，准备阶段给static赋了默认值，到了初始化阶段才进行<clinit>()，真正给static属性复制

1、<clinit>()方法(编译器自动收集创建)：

  • class中的static变量和static{}语句块合并产生
  • 收集顺序在class源文件中出现的先后顺序决定的，也就决定了他们的初始化顺序和访问顺序
  • 定义在static变量之前的static{}可以给static变量赋值，但是无法访问

2、类<clinit>()和实例构造器<init>()

  • 子类<clinit>()不要显示的调用父类的<clinit>()，jvm保证在调用子类之前先调用父类
  • jvm中执行的第一个<clinit>()肯定是java.lang.Object

3、父类的<clinit>()优先执行，也就是父类的static优先于子类执行

4、如果类和接口中不存在static相关内容，那么也就不会有<clinit>()

5、Node:接口的<clinit>()：

  • 接口中不存在static{}
  • 接口的<clinit>()只存在静态变量，执行<clinit>()不需要优先执行父类的<clinit>()
  • 接口的实现类在初始化时，也不会执行接口的<clinit>()

6、类的<clinit>()加锁、同步

  • jvm保证类的 <clinit>()在多线程的情况下被正确枷锁、同步
  • 多线程并发初始化一个类，那么jvm只会让一个线程去初始化，其他线程阻塞等待，直到 <clinit>()方法执行结束

第三节：类加载器

  • 概述：在class生命周期中的加载阶段。jvm规范，通过一个类的全限定名来获取类描述该类的二进制字节流。实现这个动作的就是类加载器

一、类与类加载器

1、类加载器用于实现类的加载动作

2、类和类加载器两者共同确定该类在jvm中的唯一性

  • 同一个class文件被同一个jvm中的两个不同加载器加载，那么生成的这两个类也是不相等的
  • 判断两个类相等
    • Class对象的equals()、isAssignableFrom()方法、isInstance()
    • instanceOf关键字做对象所属关系判定

二、双亲委派模式

1、jvm角度看类加载器

  • 启动类加载器(bootstrap ClassLoader)，这个类加载器使用C++实现(jvm自身的一部分)
  • 其他加载器，使用java实现，独立于jvm，并且全部继承java.lang.ClassLoader

2、开发使用细分：

  • 启动类加载器(bootstrap ClassLoader)
    • 负责将<JAVA_HOME>\lib目录中，并且被jvm识别的(仅按照文件名识别)类库加载到jvm中
    • 启动类加载器没有办法直接引用，只能在自定义ClassLoader时直接用null代替
  • 拓展类加载器(Extension ClassLoader)
    • 由sun.misc.launcher$ExtClassLoader实现
    • 负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录，或者被java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用拓展类加载器
  • 应用程序类加载器(Application ClassLoader)
    • 由sun.misc.launcher$App-ClassLoader实现
    • 这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以也叫系统类加载器
    • 负责加载用户类路径上的所指定的类库，开发者可以直接使用该类库，如果没有自定义ClassLoader那么该类库也是默认类加载器

3、双亲委派模型

  • 除启动类加载器外，其余所有ClassLoader都有自己的父类加载器
  • 这里的父类加载器和子类加载器并不是继承关系，而是以组合关系复用父类加载器的代码
  • 双亲委派模型的工作流程：
    • 如果一个类加载器收到了类加载的请求，他首先不会自己尝试去加载这个类，而是把这个请求委派给他的父类加载器去完成。
    • 每一个层次的类加载器都是如此，最终请求传递给最顶层的启动类加载器。
    • 只有当父类加载器反馈自己无法这个请求(搜索范围内没有这个类)子加载器才会尝试去加载这个类。
  • 双亲委派的意义：
    • 类和类加载器两者共同确定该类在jvm中的唯一性
    • 如果是不同的加载器去加载同一个class会在方法区中映射出不同的class对象，产生二义性，
    • 除java.lang.Object自身外，任何类都继承object，但实际方法区中只有唯一一个object这样的class对象存在
  • 双亲委派代码的实现，都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException{
 Class<?> c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            if (parent != null) {
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                c = findBootstrapClassOrNull(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // ClassNotFoundException thrown if class not found
            // from the non-null parent class loader
			//如果父类抛出ClassNotFoundException，说明父类没有找到，调用子类
        }
		//如果上面走到了catch那么这个c就会是null，也就是要调用自己的classLoader
        if (c == null) {
            // If still not found, then invoke findClass in order
            // to find the class.
            c = findClass(name);
        }
    }
    return c;
}
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