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  • java虚拟机类加载

    java虚拟机中类的加载

                (JVM的大致结构图)

    从发class文件到内存中的类,按先后顺序,需要经过加载,链接以及初始化三大步骤。

    java语言的类型可分为两大类:基本类型(primitive type)和引用类型(references type)

    基本类型:是由java虚拟机预先定义好的。

    引用类型:Java将其细分为四种,类、接口、数组类和泛型参数。

           由于泛型参数会在编译过程中被擦除(泛型类型在逻辑上可以看成是多个不同的类型,实际上都是相同的基本类型。),因此Java虚拟机实际上只有前三种。在类、接口和数组类中,数组类是由java虚拟机直接生成的,其他两种则有对应的字节流。

    字节流:最常见的形式要属由Java编译器生成的class文件。除此之外,我们也可以在程序内部直接生成,或者从网络中获取字节流。这些不同形式的字节流,都会被加载到java虚拟机中,称为类或者接口。

    无论是直接生成的数组类,还是加载的类,java虚拟机都要对其进行链接和初始化。

    加载

    加载是指查找字节流,并且据此创建类的过程。对于类来说,java虚拟机需要借助类加载器来完成查找字节流的过程。

     当JVM启动时,会形成由三个类加载器组成的初始类加载器层次结构:

    1、启动类加载器(BootstrapClassLoader):是嵌在JVM内核中的加载器,它是由C++实现的,没有对应的java对象,因此在java中只能用null来代替。它主要负责加载JAVA_HOME/lib下的类库,启动类加载器无法被应用程序直接使用。

    除了启动类加载器外,其他的类加载器都是java.lang.ClassLoader的子类,因此有对应的java对象。这些类加载器需要先由另一个类加载器,比如说启动了加载器,加载至java虚拟机中,方能执行类加载。

    在Java9之前,启动类加载器负责加载最为基础,最为重要的类,比如存放在jre的lib目录下的jar包(以及由虚拟机参数-Xbootclasspath指定的类)。除了启动类加载器之外,另外两个重要的类加载器是扩展类加载起(extension class loader)和应用类加载器(application class loader),均由java核心类库提供。

    2、扩展类加载器(extension class loader):其父类是启动类加载器,他负责加载相对次要、但又通用的类,比如存放在jre的lib/ext目录下的jar包中的类(以及由系统变量java.ext.dirs指定的类)。

    3、应用类加载器(application class loader):其父类是扩展类加载器,它负责加载用用程序下的类。(这里的应用程序路径,便是指虚拟机参数-cp/-classpath、系统变量CLASSPATH所制定的路径。)默认情况下,应用程序中包含的类是由应用类加载器加载的。

    java9引入了模块系统,,并且略微更改了上述的类加载器,扩展类加载器被改名为平台类加载器(platform class loader)。Java SE 中除了少数几个关键模块,比如说、java.base是由启动类加载器加载之类,其他的模块均由平台加载器所加载。

    除了java核心类库提供的类加载器之外,我们还可以加入自定义的加载器,来实现特殊的加载方式。举个例子,我们可以对class文件进行加密,加载时再利用自定义的类加载最其解密。

    除了加载功能之外,类加载器还提供了命名空间的作用。在java虚拟机中,类的唯一性是由类加载器实例以及类的全名一同确定的。即便是通一串字节流,经由不同的类加载器加载,也会得到两个不同的类。在大型应用中,我们往往会借助这一特性,来运行同一个类的不同版本。

    链接

    链接是指将创建成的类合并至java虚拟机中,使之能执行的过程。它可以分为验证、准备及解析三个阶段。

    验证:确保被加载的类能够满足java虚拟机的约束条件,检验被加载的类是否有正确的内部结构,并和其他类协调一致。

    准备:为被加载类的静态字段分配内存,并设置默认初始值。

    解析:将类中的二进制数据中的符号引用替换成直接引用(final修改的常量的替换)。

    JVM并没有要你在链接过程中完成解析,它仅规定了:如果某些字节码使用了符号引用,那么在执行这些字节码之前,需要完成对这些符号引用的解析。

    初始化

    在java代码中如果要初始化一个静态字段,我们可以在声明时直接赋值,也可以在静态代码块中对其赋值。

    如果直接赋值的静态字段被final修饰,并且他的类型是基本类型或字符串时,那么该字段便会被java编译器标记为常量值(ConstantValue),其初始化直接被java虚拟机完成。除此之外的直接赋值操作以及所有静态代码块中的代码,则会被java编译器置于同一方法中,并把它命名为<clinit>。

    类加载的最后一步是初始化,便是为标记为常量值的字段赋值,以及执行<clinit>方法的过程。java虚拟机会通过加锁来确保类的<clinit>方法仅被执行一次。

    只有当初始化完成之后,类才正式称为可执行的状态。

    JVM初始化一个类分为几步:

    1、假如这个类还没有被加载和链接,程序先加载并链接这个类。

    2、假如该类的直接父类还没有被初始化,则先初始化其直接父类。

    3、假如类中有初始化语句,则依次执行其初始化语句。

    类的加载和初始化何时被触发

    1、当虚拟机启动时,初始化用户指定的主类。(直接使用java.exe命令来运行某个主类)

    2、创建类的实例(new方法)。

    3、调用某个类的静态方法,初始化该静态方法所在的类。

    4、访问某个类或接口的静态属性,初始化该静态属性所在的类。

    5、使用反射机制来创建某个类或接口的对应java.lang.Class对象(Class.forName("Person")),初始化这个类。

    6、子类的初始化会触发父类的初始化。

    7、如果一个接口定义了default方法,那么直接实现或间接实现该接口的类的初始化,会触发该接口的初始化。

    8、当初次使用MehodHandle实例时,初始化该MehodHandle指向的方法所在的类。

    注:此文为极客时间郑雨迪专栏,java虚拟机讲解及自己查资料的学习总结。郑雨迪《深入拆解Java虚拟机》很不错。

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