深入理解JVM学习笔记——第七章 虚拟机类加载机制

注：本系列文章均摘录自《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》，作者周志明，我看的是第一版，现在第二版已经出了，

 

第七章 虚拟机类加载机制

    1.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中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。

    2.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了：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、准备和解析三个部分统称为连接（Linking）。

    3.对于初始化阶段，虚拟机规范严格规定了有且只有四种情况必须立即对类进行”初始化“（而加载、验证、准备自然要在此之前开始）：

    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。

    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类。

    4.对于静态字段，只有直接定义了这个字段的类才会被初始化，因此通过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。

    5.接口的加载过程与类的加载过程稍有不同：接口也有初始化过程，接口中不能使用”static{}“语句块，但编译器仍然会为接口生成”<clinit>()“类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类真正有区别的是：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，只有在真正用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

    6.”加载“（Loading）阶段是”类加载“（Class Loading）过程中的一个阶段。在加载阶段，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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口。

    加载阶段既可以使用系统的类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员们可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式。

    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这固定的先后顺序。

    7.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。这个阶段的验证是基于字节流进行的，经过了这个阶段的验证之后，字节流才会进入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进行的。

    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。

    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，主要工作是进行数据流和控制流分析。这阶段的任务是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。

    4）符号引用验证

    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）的信息进行匹配性的校验。

    符号引用验证的目的是确保解析动作能正常执行，如果无法通过符号验证，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。

    如果所运行的全部代码都已经被反复使用和验证过，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。

    8.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。

    1）这个时候进行的内存分配仅包括类变量（被static修饰的变量），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。

    2）这里所说的初始值”通常情况“下是数据类型的零值。

    9.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，符号引用在Class文件中以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现。

    1）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。

    2）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。直接引用是与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。

    对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情，虚拟机实现可能会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。无论是否真正执行了多次解析动作，虚拟机需要保证的都是在同一个实体中，如果一个符号引用之前就被成功解析过，那么后续的引用解析请求就应当一直成功；同样地，如果第一次解析失败了，其他指令对这个符号的解析请求也应该收到相同的异常。

    解析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，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info及CONSTANT_InterfaceMethodref_info四种常量类型。

    10.初始化

    初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

    （1）<clinit>()方法是由编译器自动收集类中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中可以赋值，但是不能访问。

    （2）<clinit>()方法与类的构造函数（或者说实例构造器<init>()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，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。

    （3）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。

    （4）<clinit>()方法对于类或接口来说并不是必须的，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。

    （5）接口中不能定义静态语句块，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被使用时，父接口才会被初始化。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。

    （6）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和同步，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，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。

    11.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“的这个动作放到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被称为”类加载器“。

    1.比较两个类是否”相等“，只有在这两个类是由同一个类的类加载器加载的前提之下才有意义，否则，即使这两个类是来源于同一个Class文件，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

    2.绝大部分Java程序都会使用到以下三种系统提供的类加载器：

    （1）启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机是别的（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。

    （2）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。

    （3）应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。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。

    3.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。

    4.线程上下文加载器（Thread Context ClassLoader）可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader()方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个；如果在应用程序的全局范围内都没有设置过，那么这个类加载器默认就是应用程序加载器。