JVM学习笔记（八）：类加载

氷泠
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1 来源

  • 来源：《Java虚拟机 JVM故障诊断与性能优化》——葛一鸣
  • 章节：第十章

本文是第十章的一些笔记整理。

2 概述

本文主要讲述了类加载器以及类加载的详细流程。

3 类加载流程

类加载的流程可以简单分为三步：

  • 加载
  • 连接
  • 初始化

而其中的连接又可以细分为三步：

  • 验证
  • 准备
  • 解析

下面会分别对各个流程进行介绍。

3.1 类加载条件

在了解类接在流程之前，先来看一下触发类加载的条件。

JVM不会无条件加载类，只有在一个类或接口在初次使用的时候，必须进行初始化。这里的使用是指主动使用，主动使用包括如下情况：

  • 创建一个类的实例的时候：比如使用new创建，或者使用反射、克隆、反序列化
  • 调用类的静态方法的时候：比如使用invokestatic指令
  • 使用类或接口的静态字段：比如使用getstatic/putstatic指令
  • 使用java.lang.reflect中的反射类方法时
  • 初始化子类时，要求先初始化父类
  • 含有main()方法的类

除了以上情况外，其他情况属于被动使用，不会引起类的初始化。

比如下面的例子：

public class Main {
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(Child.v);
    }
}

class Parent{
    static{
        System.out.println("Parent init");
    }
    public static int v = 100;
}

class Child extends Parent{
    static {
        System.out.println("Child init");
    }
}

输出如下：

Parent init
100

而加上类加载参数-XX:+TraceClassLoading后，可以看到Child确实被加载了：

[0.068s][info   ][class,load] com.company.Main
[0.069s][info   ][class,load] com.company.Parent
[0.069s][info   ][class,load] com.company.Child
Parent init
100

但是并没有进行初始化。另外一个例子是关于final的，代码如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(Test.STR);
    }
}

class Test{
    static{
        System.out.println("Test init");
    }
    public static final String STR = "Hello";
}

输出如下：

[0.066s][info   ][class,load] com.company.Main
Hello

Test类根本没有被加载，因为final被做了优化，编译后的Main.class中，并没有引用Test类：

0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc           #4                  // String Hello
5: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

在字节码偏移3的位置，通过ldc将常量池第4项入栈，此时在字节码文件中常量池第4项为：

#3 = Class              #24            // com/company/Test
#4 = String             #25            // Hello
#5 = Methodref          #26.#27        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

因此并没有对Test类进行加载，只是直接引用常量池中的常量，因此输出没有Test的加载日志。

3.2 加载

类加载的时候，JVM必须完成以下操作：

  • 通过类的全名获取二进制数据流
  • 解析类的二进制数据流为方法区内的数据结构
  • 创建java.lang.Class类的实例，表示该类型

第一步获取二进制数据流，途径有很多，包括：

  • 字节码文件
  • JAR/ZIP压缩包
  • 从网络加载

等等，获取到二进制数据流后，JVM进行处理并转化为一个java.lang.Class实例。

3.3 验证

验证的操作是确保加载的字节码是合法、合理并且规范的。步骤简略如下：

在这里插入图片描述

  • 格式检查：判断二进制数据是否符合格式要求和规范，比如是否以魔数开头，主版本号和小版本号是否在当前JVM支持范围内等等
  • 语义检查：比如是否所有类都有父类存在，一些被定义为final的方法或类是否被重载了或者继承了，是否存在不兼容方法等等
  • 字节码验证：会试图通过对字节码流的分析，判断字节码是否可以正确被执行，比如是否会跳转到一条不存在的指令，函数调用是否传递了正确的参数等等，但是却无法100%判断一段字节码是否可以被安全执行，只是尽可能检查出可以预知的明显问题。如果无法通过检查，则不会加载这个类，如果通过了检查，也不能说明这个类完全没有问题
  • 符号引用验证：检查类或方法是否确实存在，并且确定当前类有没有权限访问这些数据，比如无法找到一个类就抛出NoClassDefFoundError，无法找到方法就抛出NoSuchMethodError

3.4 准备

类通过验证后，就会进入准备阶段，在这个阶段，JVM为会类分配相应的内存空间，并设置初始值，比如：

  • int初始化为0
  • long初始化为0L
  • double初始化为0f
  • 引用初始化为null

如果存在常量字段，那么这个阶段也会为常量赋值。

3.5 解析

解析就是将类、接口、字段和方法的符号引用转为直接引用。符号引用就是一些字面量引用，和JVM的内存数据结构和内存布局无关，由于在字节码文件中，通过常量池进行了大量的符号引用，这个阶段就是将这些引用转为直接引用，得到类、字段、方法在内存中的指针或直接偏移量。

另外，由于字符串有着很重要的作用，JVM对String进行了特别的处理，直接使用字符串常量时，就会在类中出现CONSTANT_String，并且会引用一个CONSTANT_UTF8常量项。JVM运行时，内部的常量池中会维护一张字符串拘留表（intern），会保存其中出现过的所有字符串常量，并且没有重复项。使用String.intern()可以获得一个字符串在拘留表的引用，比如下面代码：

public static void main(String[] args){
    String a = 1 + String.valueOf(2) + 3;
    String b = "123";
    System.out.println(a.equals(b));
    System.out.println(a == b);
    System.out.println(a.intern() == b);
}

输出：

true
false
true

这里b就是常量本身，因此a.intern()返回在拘留表的引用后就是b本身，比较结果为真。

3.6 初始化

初始化阶段会执行类的初始化方法<clinit>，<clinit>是由编译期生成的，由静态成员的赋值语句以及static语句共同产生。

另外，加载一个类的时候，JVM总是会试图加载该类的父类，因此父类的<clinit>方法总是在子类的<clinit>方法之前被调用。另一方面，需要注意的是<clinit>会确保在多线程环境下的安全性，也就是多个线程同时初始化同一个类时，只有一个线程可以进入<clinit>方法，换句话说，在多线程下可能会出现死锁，比如下面代码：

package com.company;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Main extends Thread{
    private char flag;
    public Main(char flag){
        this.flag = flag;
    }
    
    public static void main(String[] args){
        Main a = new Main('A');
        a.start();
        Main b = new Main('B');
        b.start();
    }

    @Override
    public void run() {
        try{
            Class.forName("com.company.Static"+flag);
        }catch (ClassNotFoundException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class StaticA{
    static {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        try{
            Class.forName("com.company.StaticB");
        }catch (ClassNotFoundException e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("StaticA init ok");
    }
}

class StaticB{
    static {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        try{
            Class.forName("com.company.StaticA");
        }catch (ClassNotFoundException e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("StaticB init ok");
    }
}

在加载StaticA的时候尝试加载StaticB，但是由于StaticB已经被加载中，因此加载StaticA的线程会阻塞在Class.forName("com.company.StaticB")处，同理加载StaticB的线程会阻塞在Class.forName("com.company.StaticA")处，这样就出现死锁了。

4 ClassLoader

4.1 ClassLoader简介

ClassLoader是类加载的核心组件，所有的Class都是由ClassLoader加载的，ClassLoader通过各种各样的方式将Class信息的二进制数据流读入系统，然后交给JVM进行连接、初始化等操作。因此ClassLoader负责类的加载流程，无法通过ClassLoader改变类的连接和初始化行为。

ClassLoader是一个抽象类，提供了一些重要接口定义加载流程和加载方式，主要方法如下：

  • public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException：给定一个类名，加载一个类，返回这个类的Class实例，找不到抛出异常
  • protected final Class<?> defineClass(byte[] b, int off, int len)：根据给定字节流定义一个类，off和len表示在字节数组中的偏移和长度，这是一个protected方法，在自定义子类中才能使用
  • protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException：查找一个类，会在loadClass中被调用，用于自定义查找类的逻辑
  • protected Class<?> findLoadedClass(String name)：寻找一个已经加载的类

4.2 类加载器分类

在标准的Java程序中，JVM会创建3类加载器为整个应用程序服务，分别是：

  • 启动类加载器：Bootstrap ClassLoader
  • 扩展类加载器：Extension ClassLoader
  • 应用类加载器（也叫系统类加载器）：App ClassLoader

另外，在程序中还可以定义自己的类加载器，从总体看，层次结构如下：

在这里插入图片描述

一般来说各个加载器负责的范围如下：

  • 启动类加载器：负责加载系统的核心类，比如rt.jar包中的类
  • 扩展类加载器：负责加载lib/ext/*.jar下的类
  • 应用类加载器：负责加载用户程序的类
  • 自定义加载器：加载一些特殊途径的类，一般是用户程序的类

4.3 双亲委派

默认情况下，类加载使用双亲委派加载的模式，具体来说，就是类在加载的时候，会判断当前类是否已经被加载，如果已经被加载，那么直接返回已加载的类，如果没有，会先请求双亲加载，双亲也是按照一样的流程先判断是否已加载，如果没有在此委托双亲加载，如果双亲加载失败，则会自己加载。

在这里插入图片描述

在上图中，应用类加载器的双亲为扩展类加载器，扩展类加载器的双亲为启动类加载器，当系统需要加载一个类的时候，会先从底层类加载器开始进行判断，当需要加载的时候会从顶层开始加载，依次向下尝试直到加载成功。

在所有加载器中，启动类加载器是最特别的，并不是使用Java语言实现，在Java中没有对象与之相对应，系统核心类就是由启动类加载器进行加载的。换句话说，如果尝试在程序中获取启动类加载器，得到的值是null：

System.out.println(String.class.getClassLoader() == null);

输出结果为真。

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