[JVM]了断局: 类加载机制

亦凉 2022-11-27 07:17 205阅读 0赞

一.类加载的时机

二. 有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”

三.类加载的过程

1.加载

2.验证

1.文件格式验证

2.元数据验证

3.字节码验证

4.符号引用验证

3.准备

4.解析

1.类或接口的解析

2.字段解析

3.方法解析

4.接口方法解析

5.初始化

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**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。 **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.Java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。

# 一.类加载的时机 #

一个类型从被加载到虚拟机内存中开始， 到卸载出内存为止， 它的整个生命周期将会经历加载（Loading） 、 验证（Verification） 、 准备（Preparation） 、 解析（Resolution） 、 初始化（Initialization） 、 使用（Using） 和卸载（Unloading） 七个阶段， 其中验证、 准备、 解析三个部分统称为连接（Linking） 。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nbG9uZ180NDQ0_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

加载、 验证、 准备、 初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的， 类型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语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定） 。

# **二. 有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”** #

> 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。 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。
> 
> 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） 当初始化类的时候， 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 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。  
> 6） 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

# 三.类加载的过程 #

## 1.加载 ##

“加载”（Loading） 阶段是整个“类加载”（Class Loading） 过程中的一个阶段.

> 在加载阶段， Java虚拟机需要完成以下三件事情：
> 
> 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

## 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。

### 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。

> ·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。
> 
> ·.......

### 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\[对类的元数据信息进行语义校验\]， 以保证其描述的信息符合《Java语言规范》 的要求

> ·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） 。  
> ·……

### 3.字节码验证 ###

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.

> ·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。  
> ·……

### 4.符号引用验证 ###

最后一个阶段的校验行为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。

> ·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、 <package>）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

## 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.

这时候进行内存分配的仅包括类变量， 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。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>数据类型</th> 
   <th>零值</th> 
   <th>数据类型</th> 
   <th>零值</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>int</td> 
   <td>0</td> 
   <td>boolean</td> 
   <td>false</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>long</td> 
   <td>0L</td> 
   <td>float</td> 
   <td>0.0f</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>short</td> 
   <td>(short)0</td> 
   <td>double</td> 
   <td>0.0d</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>char</td> 
   <td>'\u0000'</td> 
   <td>reference</td> 
   <td>null</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>byte</td> 
   <td>(byte)0</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性， 那在准备阶段变量值就会被初始化为ConstantValue属性所指定的初始值.**

> public static final int value = "hello world ... ";
> 
>   
> 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赋值为"hello world ..." 。

## 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、 CONSTANT\_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.

### 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。**针对上面第3点访问权限验证， 在JDK 9引入了模块化以后， 一个public类型也不再意味着程序任何位置都有它的访问权限， 我们还必须检查模块间的访问权限。  
如果我们说一个D拥有C的访问权限， 那就意味着以下3条规则中至少有其中一条成立：  
      ·被访问类C是public的， 并且与访问类D处于同一个模块。  
      ·被访问类C是public的， 不与访问类D处于同一个模块， 但是被访问类C的模块允许被访问类D的模块进行访问。  
      ·被访问类C不是public的， 但是它与访问类D处于同一个包中。

### 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。

### 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， 虚拟机搜索方法步骤如下：

> 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。
> 
> 6)  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

##    5.初始化 ##

# #

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤,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。进行准备阶段时， **变量已经赋过一次系统要求的初始零值**， 而**在初始化阶段， 则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。\[****初始化阶段就是执行类构造器<clinit>()方法的过程。 <clinit>()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法， 它是Javac编译器的自动生成物****\]**

> **init是instance实例构造器，对非静态变量解析初始化**，而**clinit是class类构造器对静态变量，静态代码块进行初始化**

> ·<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.

报错: 
    
    public class Test {
        static {
            i =0 ;
            System.out.println(i);  //这里编译不通过
        }
    
        static int i = 1 ;
    }
    
    正常:
    public class Test {
        static int i = 1 ;
        static {
            i =0 ;
            System.out.println(i);
        }
    }

> ·<clinit>()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器<init>()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。

>   
> ·由于父类的<clinit>()方法先执行， 也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子  
> 类的变量赋值操作

public class Run {
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println(Sub.B);  // 输出2
        }
    }
    
    class Parent {
        public static int A = 1;    // 顺序 1 
        static {
            A = 2;                  // 顺序 2
        }
    }
    
    class Sub extends  Parent{
        public static  int B = A ;
    }
    
    ------------------------------------------
    
    public class Run {
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println(Sub.B);   // 输出2
        }
    }
    
    class Parent {
        
        static {
            A = 2;        // 顺序 1 
        }
        public static int A = 1;  // 顺序 2
    }
    
    class Sub extends  Parent{
        public static  int B = A ;
    }

> ·<clinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的， 如果一个类中没有静态语句块， 也没有对变量的赋值操作， 那么编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法。

·**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**， 因为**只有当父接口中定义的变量被使用时， 父接口才会被初始化。**  
此外， **接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>()方法。**

·**Java虚拟机必须保证一个类的<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， 那么只会有其中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， 直到活动线程执行完毕<clinit>()方法。** 如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作， 那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。

public  class DeadLoopClass {
        static {// 如果不加上这个if语句， 编译器将提示“Initializer does not complete normally”并拒绝编译
            if (true) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
                while (true) {
                }
            }
        }
    }
    
    
    
    
    public class RunDeadLoopClass {
    
        public static void main(String[] args) {
            Runnable script = new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "start");
                    DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();
                    System.out.println(Thread.currentThread() + " run over");
                }
            };
            Thread thread1 = new Thread(script);
            Thread thread2 = new Thread(script);
            thread1.start();
            thread2.start();
        }
    }
    
    
    
    
    
    
    
    -------------------------------
    控制台输出:
    
    Thread[Thread-1,5,main]start
    Thread[Thread-0,5,main]start
    Thread[Thread-1,5,main]init DeadLoopClass

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nbG9uZ180NDQ0_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221124/068ee907e349479eb06d74798cc80df7.png