java虚拟机的类加载过程

想作会飞的鱼

1580人浏览 · 2017-04-03 15:13:33

想作会飞的鱼 · 2017-04-03 15:13:33 发布

一、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，这就是虚拟机的类加载机制。
与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同，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，这种策略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依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。例如，如果编写一个面向接口的应用程序，可以等到运行时再指定其实际的实现类。

二、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，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接（Linking），这7个阶段的发生顺序如图所示。

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，而解析阶段则不一定：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（也称为动态绑定或晚期绑定）。注意，这里只指明按部就班地“开始”，而不是按部就班地“进行”或“完成”，强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。
对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5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4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（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，以及调用一个类的静态方法的时候。
2）使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3）当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
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 1.7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。
这5种场景中的行为称为对一个类进行主动引用，除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

被动引用的例子1：

/**
 * 被动使用类字段演示一： 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
 **/
public class SuperClass {
	static {
		System.out.print("SuperClass init！");
	}
	public static int value = 123;
}

class SubClass extends SuperClass {
	static {
		System.out.print("SubClass init！");
	}
}
/**
 * 非主动使用类字段演示
 **/
class NotInitialization {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(SubClass.value);
	}
}

上述代码运行之后，只会输出“SuperClass init！”，而不会输出“SubClass init！”。对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。
被动引用的例子2：

/**
*被动使用类字段演示二：
*通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化
**/
public class NotInitialization{
public static void main（String[] args）{
SuperClass[]sca=new SuperClass[10]；
}
}

运行之后发现没有输出“SuperClass init！”。

被动引用的例子3：

/**
 * 被动使用类字段演示三： 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。
 **/
public class ConstClass {
	static {
		System.out.print("ConstClass init！");
	}
	public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}

/**
 * 非主动使用类字段演示
 **/
class NotInitialization {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.print(ConstClass.HELLOWORLD);
	}
}

上述代码运行之后，也没有输出“ConstClass init！”，这是因为虽然在Java源码中引用了ConstClass类中的常量HELLOWORLD，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值“hello world”存储到了NotInitialization类的常量池中，以后NotInitialization对常量ConstClass.HELLOWORLD的引用实际都被转化为NotInitialization类对自身常量池的引用了。

接口与类真正有所区别的是前面讲述的5种“有且仅有”需要开始初始化场景中的第3种：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

三、类加载的过程详解
1、加载
在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：
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。
对于数组类而言，情况就有所不同，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。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型（ElementType，指的是数组去掉所有维度的类型）最终是要靠类加载器去创建，一个数组类创建过程就遵循以下规则：
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）是引用类型，那就递归采用之前介绍的加载过程去加载这个组件类型，数组类将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识。
如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组），Java虚拟机将会把数组类标记为与引导类加载器关联。
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。

2、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要求，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个阶段的检验动作：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
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虚拟机处理范围之内。
.....
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）。
.......
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做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，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事件，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。
......
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。
4）符号引用验证
最后一个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。

3.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知识点，首先是这时候进行内存分配的仅包括类变量(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。其次是这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量定义为:
public static int value = 12;
那么变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是12，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<clinit>()方法之中，所以把value赋值为12的动作将在初始化阶段才会被执行。
上面所说的“通常情况”下初始值是零值，那相对于一些特殊的情况，如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，建设上面类变量value定义为：
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ConstantValue的设置将value设置为123。

4.解析
解析阶段是虚拟机常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。
符号引用：符号引用是一组符号来描述所引用的目标对象，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，引用的目标对象并不一定已经加载到内存中。
直接引用：直接引用可以是直接指向目标对象的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是与虚拟机内存布局实现相关的，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。
虚拟机规范并没有规定解析阶段发生的具体时间，只要求了在执行anewarry、checkcast、getfield、instanceof、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、multianewarray、new、putfield和putstatic这13个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们使用的符号引用进行解析，所以虚拟机实现会根据需要来判断，到底是在类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析，还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它。
解析的动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号引用进行。分别对应编译后常量池内的CONSTANT_Class_Info、CONSTANT_Fieldref_Info、CONSTANT_Methodef_Info、CONSTANT_InterfaceMethoder_Info四种常量类型。
1）类、接口的解析
2）字段解析
3）类方法解析
4）接口方法解析

5.初始化
类的初始化阶段是类加载过程的最后一步，在准备阶段，类变量已赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则是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，或者可以从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。在以下四种情况下初始化过程会被触发执行：
1）遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的java代码场景是：使用new关键字实例化对象、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)的时候，以及调用类的静态方法的时候。
2）使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候
3）当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化、则需要先出发其父类的初始化
4）jvm启动时，用户指定一个执行的主类(包含main方法的那个类)，虚拟机会先初始化这个类
在上面准备阶段 public static int value = 12; 在准备阶段完成后 value的值为0，而在初始化阶调用了类构造器<clinit>()方法，这个阶段完成后value的值为12。