类加载机制

待我称王封你为后i 2022-07-12 05:59 284阅读 0赞

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。

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）。  
   加载、 验证、 准备、 初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，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，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。  
  
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。可从网络，包等等中的文件来加载。  
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。  
   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。

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。  
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。  
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。  
。。。。。等等

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。  
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。  
。。。。。等等

第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。  
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。 即使字节码验证之中进行了大量的检查，也不能保证这一点。

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。  
符号引用中的类、 字段、 方法的访问性（private、protected、public、default）是否可被当前类访问。  
。。。。

对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、 但不是一定必要（因为对程序运行期没有影响）的阶段。 如果所运行的全部代码（包括自己编写的及第三方包中的代码）都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段就可以考虑使用\-Xverify：none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。  
   
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，这些变量所使用的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概念需要强调一下，首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量（被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，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。

在“通常情况”下初始值是零值，那相对的会有一些“特殊情况”：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。比如final。

解析

解析阶段是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已经加载到内存中。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）：直接引用可以是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。 直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的，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。  
   虚拟机规范之中并未规定解析阶段发生的具体时间，只要求了在执行anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc\_w、multianewarray、new、putfield和putstatic这16个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用的符号引用进行解析。 所以虚拟机实现可以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。

对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情，除invokedynamic指令以外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标识为已解析状态）从而避免解析动作重复进行。因为invokedynamic指令的目的本来就是用于动态语言支持（目前仅使用Java语言不会生成这条字节码指令），它所对应的引用称为“动态调用点限符”（Dynamic Call Site Specifier），这里“动态”的含义就是必须等到程序实际运行到这条指令的时候，解析动作才能进行。   
  
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1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此数组维度和元素的数组对象。  
3）如果上面的步骤没有出现任何异常，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，但在解析完成之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。  
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，那将这个字段所属的类或接口用C表示，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。  
3.类方法解析

类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也需要先解析出类方法表的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，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类方法搜索。  
1）类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class\_index中索引的C是个接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。  
2）如果通过了第1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.接口方法解析

接口方法也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）与类方法解析不同，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（查找范围会包括Object类）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）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

由于接口中的所有方法默认都是public的，所以不存在访问权限的问题，因此接口方法的符号解析应当不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。  
  
初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。 到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码）。  
   初始化阶段是执行类构造器＜clinit＞（）方法的过程。＜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所决定的，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。  
   接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成＜clinit＞（）方法。 但接口与类不同的是，执行接口的＜clinit＞（）方法不需要先执行父接口的＜clinit＞（）方法。 只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。 另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的＜clinit＞（）方法。  
   虚拟机会保证一个类的＜clinit＞（）方法在多线程环境中被正确地加锁、 同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的＜clinit＞（）方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行＜clinit＞（）方法完毕。 如果在一个类的＜clinit＞（）方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。   
  
类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。 实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。  
   类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。 对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。 这句话可以表达得更通俗一些：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。  
   从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。  
   启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：前面已经介绍过，这个类将器负责将存放在＜JAVA\_HOME＞\\lib目录中的，或者被\-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。 启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，那直接使用null代替即可。  
   扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载＜JAVA\_HOME＞\\lib\\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。  
   应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher $AppClassLoader实现。 由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader（）方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。 它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。  
   双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。 这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承（Inheritance）的关系来实现，而是都使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。  
   双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。  
   使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。 例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。