JVM学习笔记: 类加载机制

JunMuYe
186 阅读17分钟

1. 来源

  • 深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第三版）
  • 第七章

2. 概述

Java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，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。

3. 类加载时机

image-20220211185429587.png

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的。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语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）。注意，这些阶段的开始是有顺序的，但是进行过程通常是相互交叉地混合进行的。

《Java虚拟机规范》 则是严格规定了有且只有六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 前开始）：

  1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始 化，则需要先触发其初始化阶段。
  2. 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需 要先触发其初始化。
  3. 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需 要先触发其初始化。
  4. 当虚拟机启动时，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。
  5. 当使用JDK 7新加入的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解 析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
    1. 当一个接口中定义了JDK 8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果有 这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

对于第一点，能够生成这四条指令的典型Java代码场景有：

  • 使用new关键字实例化对象的时候。
  • 读取或设置一个类型的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外） 的时候。
  • 调用一个类型的静态方法的时候。

4. 类加载过程

4.1 加载

在加载过程中，虚拟机需要完成三件事：

  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。

对于第一条，《Java虚拟机规范》并没有规定二进制字节流必须从什么地方获取，也没有规定获取方式，所以仅在这一块就留给了开发者很大的操作空间。

对于非数组类的加载阶段，可以通过虚拟机内置的引导类加载器来完成，也可以使用自定义的类加载来完成。

对于数组类，数组类本身不通过类加载器来创建，而是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。对于一个数组类（下面简称 为C）的加载过程，遵循以下规则：

  • 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，注意和前面的元素类型区分开来）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C将被标识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上。
  • 如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组的组件类型为int），Java虚拟机将会把数组C 标记为与引导类加载器关联。
  • 数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致，如果组件类型不是引用类型，它的数组类的 可访问性将默认为public，可被所有的类和接口访问到。

4.2 验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚 拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

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、字节码验证和符号引用验证。

4.2.1 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Java虚拟机接受范围之内。
  • 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UTF-8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之后，这段字节流才被允许进入Java虚拟机内存的方法区中进行存储，所以后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构上进行的，不会再直接读取、操作字节流了。

4.2.2 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，这个阶段可能包括的验证点如下：

  • 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）。
  • ......

4.2.3 字节码验证

**第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是通过数据流分析和控制流分析，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校验完毕以后，这阶段就要 对类的方法体（Class文件中的Code属性）进行校验分析，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，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，例如不会出现类似于“在操作 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”这样的情况。
  • 保证任何跳转指令都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总是有效的，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这是安全 的，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，则是危险和不合法的。
  • ......

字节码验证只能保证没有通过验证的一定有问题，不能保证通过验证的就一定安全。

4.2.4 符号引用验证

这个验证发生在解析阶段。符号引用验证可以看作是对类自身以外（常量池中的各种符号 引用）的各类信息进行匹配性校验，通俗来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部 类、方法、字段等资源。本阶段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、方法的可访问性（private、protected、public、）是否可被当 前类访问。

符号引用验证的主要目的是确保解析行为能正常执行，如果无法通过符号引用验证，Java虚拟机 将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError的子类异常，典型的如： java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

验证阶段不是必须要执行的一个阶段，如果程序运行的全部代码都已经被反复使用和验证过，确保安全，可以关闭掉验证这个阶段。

4.3 准备

准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初 始值的阶段。

注意，这个阶段在通常情况下是给类变量赋零值。例如：

public static int value = 123;

在准备阶段后，value的值为0，因为这时尚未开始执行任何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<clinit>()方法之中，所以把value赋值为123的动作要到类的初始化阶段才会被执行。

注意，如果类字段的字段属性表中存在Constant Value属性，那么在准备阶段变量值就会被初始化为Constant Value属性所指定的初始值。

public static final int value = 123;

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Con-stantValue的设置 将value赋值为123

4.4 解析

解析阶段是Java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是已经加载到虚拟机内存当中的内容。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）：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能 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直接相关的，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虚拟机 的内存中存在。

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这7 类符号引用进行，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CON-STANT_Fieldref_info、 CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、 CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_Dyna-mic_info和 CONSTANT_InvokeDynamic_info 8种常量类型。下面详细介绍前4种引用解析。

4.4.1 类或接口的解析

假设当前代码所处的类为D，如果要把一个从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，那虚拟机完成整个解析的过程需要包括以下3个步骤：

  1. 如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个 类C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就将宣告失败。
  2. 如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类 似“[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第一点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所 假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成一个代表该数组维度和元素的数组对象。
  3. 如果上面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。

4.4.2 字段解析

要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内class_index项中索引的 CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属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，那把这个字段所属的类或接口用C表示，《Java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。

4.4.3 方法解析

方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也是需要先解析出方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，那么我们依然用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方法搜索：

  1. 由于Class文件格式中类的方法和接口的方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类的方法表中发现class_index中索引的C是个接口的话，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError 异常。
  2. 如果通过了第一步，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，这时候查找结束，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。

4.4.4 接口方法解析

接口方法也是需要先解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引 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. 与类的方法解析相反，如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口，那么就直接抛出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（接口方法的查找范围也会包括Object类中的方法）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. 对于规则3，由于Java的接口允许多重继承，如果C的不同父接口中存有多个简单名称和描述符 都与目标相匹配的方法，那将会从这多个方法中返回其中一个并结束查找，《Java虚拟机规范》中并 没有进一步规则约束应该返回哪一个接口方法。但与之前字段查找类似地，不同发行商实现的Javac编译器有可能会按照更严格的约束拒绝编译这种代码来避免不确定性。
  5. 否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

在JDK 9之前，Java接口中的所有方法都默认是public的，也没有模块化的访问约束，所以不存在 访问权限的问题，接口方法的符号解析就不可能抛出java.lang.IllegalAccessError异常。但在JDK 9中增 加了接口的静态私有方法，也有了模块化的访问约束，所以从JDK 9起，接口方法的访问也完全有可能因访问权限控制而出现java.lang.IllegalAccessError异常。

4.5 初始化

直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程 序。

初始化过程就是执行类构造器<clinit>()方法的过程。这个方法是由Javac编译器自动生成的。<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{}块）中的 语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的，静态语句块中只能访问 到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问。如：

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（即在虚拟机视角中的实例构造器()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类型肯定是java.lang.Object。

avatar
文章
阅读
粉丝