《深入理解Java虚拟机》七:虚拟机类加载机制

在知乎上看到一个如何理解反射的提问,其中有一个答主,不是直接给怎样使用,而是从JVM的角度去介绍反射的原理。发现对类加载机制的相关知识遗忘一些,重新翻书回顾一下。

虚拟机类加载机制

概述

定义: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。

Java语言是一门静态类型语言,但是可以动态扩展,更有灵活性,就是因为类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的。

类的生命周期

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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)。

Java虚拟机规范中,没有规定什么情况下需要开始加载的过程,但是,规定了5种情况必须对类进行初始化,称为主动引用,而加载必须在初始化之前。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

类加载的过程

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。(获取不一定是从Class文件,比如动态代理技术的应用就是在运行时计算通过generateProxyClass接口生成的二进制字节流)
  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

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。

大致上会完成下面4个阶段的检验动作:

  1. 文件格式验证
    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
  2. 元数据验证
    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
  3. 字节码验证
    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
  4. 符号引用验证
    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

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。

注意点:

  1. 只是为类变量,不包含实例变量
  2. 初始值一般情况下只是初始化该数据类型的零值,如果该类变量被final修饰了,那么初始化就会进行赋值

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(SymbolicReferences):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。

直接引用(DirectReferences):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。

符号引用引用的目标,不一定已经加载到内存中,其定义在Class文件格式中,而如果有了直接引用,那表示引用的目标必定已经在内存中存在。虚拟机会对解析的结果进行缓存标记,避免多次解析。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步,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,也就是执行所有类变量的赋值动作和静态语句块(static{}块)中的语句。

虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前,父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。

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”。

双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来讲,只存在两种不同的类加载器:

  • 启动类加载器(BootstrapClassLoader),这个类加载器使用C++语言实现(只限于HotSpot,其他虚拟机是由Java编写的),是虚拟机自身的一部分;
  • 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

从Java开发人员的角度划分:

  1. 启动类加载器(BootstrapClassLoader):
    负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中的类库加载到虚拟机内存中。
  2. 扩展类加载器(ExtensionClassLoader):
    负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的类库,开发者可以直接使用扩展类加载器。
  3. 应用程序类加载器(ApplicationClassLoader):
    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,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。

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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。父子关系一般不会以继承实现,而是组合关系

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,而是把这个请求请求委派给父类加载器去完成,每一个层次都如此。
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,就就使得相同类在不同的类加载环境中都是同一个类,应该都是传送到顶层的类加载器加载。
只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时,子加载器才会尝试自己去加载。

公众号:亦袁非猿

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