Java 虚拟机程序执行：02 虚拟机的类加载机制

虚拟机的类加载机制

• 虚拟机的类加载机制
  • 类加载的时机
  • 类的显式加载和隐式加载
  • 类加载的过程
    • 类的生命周期
    • 加载
      • 加载的 3 个阶段
      • 分类
    • 验证
    • 准备
    • 解析
    • 初始化
  • 类加载器
    • 如何判断两个类 “相等”
    • 类加载器的分类
    • 双亲委派模型

类加载的时机

JVM 会在程序第一次主动引用类的时候，加载该类，被动引用时并不会引发类加载的操作。也就是说，JVM 并不是在一开始就把一个程序就所有的类都加载到内存中，而是到不得不用的时候才把它加载进来，而且只加载一次。那么什么是主动引用，什么是被动引用呢？

• 主动引用
  • 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 字节码指令，例如：
    • 使用 new 实例化对象；
    • 读取或设置一个类的 static 字段（被 final 修饰的除外）；
    • 调用类的静态方法。
  • 对类进行反射调用；
  • 初始化一个类时，其父类还没初始化（需先初始化父类）；
    • 这点类与接口具有不同的表现，接口初始化时，不要求其父接口完成初始化，只有真正使用父接口时才初始化，如引用父接口中定义的常量。
  • 虚拟机启动，先初始化包含 main() 函数的主类；
  • JDK 1.7 动态语言支持：一个 java.lang.invoke.MethodHandle 的解析结果为 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic。
• 被动引用
  • 通过子类引用父类静态字段，不会导致子类初始化；
  • Array[] arr = new Array[10]; 不会触发 Array 类初始化；
  • static final VAR 在编译阶段会存入调用类的常量池，通过 ClassName.VAR 引用不会触发 ClassName 初始化。

也就是说，只有发生主动引用所列出的 5 种情况，一个类才会被加载到内存中，也就是说类的加载是 lazy-load 的，不到必要时刻是不会提前加载的，毕竟如果将程序运行中永远用不到的类加载进内存，会占用方法区中的内存，浪费系统资源。

类的显式加载和隐式加载

• 显示加载：
  • 调用 ClassLoader#loadClass(className) 或 Class.forName(className)。
  • 两种显示加载 .class 文件的区别：
    • Class.forName(className) 加载 class 的同时会初始化静态域，ClassLoader#loadClass(className) 不会初始化静态域；
    • Class.forName 借助当前调用者的 class 的 ClassLoader 完成 class 的加载。
• 隐式加载：
  • new 类对象；
  • 使用类的静态域；
  • 创建子类对象；
  • 使用子类的静态域；
  • 其他的隐式加载，在 JVM 启动时：
    • BootStrapLoader 会加载一些 JVM 自身运行所需的 Class；
    • ExtClassLoader 会加载指定目录下一些特殊的 Class；
    • AppClassLoader 会加载 classpath 路径下的 Class，以及 main 函数所在的类的 Class 文件。

类加载的过程

类的生命周期

加载 --> 验证 --> 准备 --> 解析 --> 初始化 --> 使用 --> 卸载
       |<------- 连接 ------->|
|<------------- 类加载 ---------------->|

类的生命周期一共有 7 个阶段，其中前五个阶段较为重要，统称为类加载，第 2 ~ 4 阶段统称为连接，加载和连接中的三个过程开始的顺序是固定的，但是执行过程中是可以交叉执行的。接下来，我们将对类加载的 5 个阶段进行一一讲解。

加载

加载的 3 个阶段

• 通过类的全限定名获取二进制字节流（将 .class 文件读进内存）；
• 将字节流的静态存储结构转化为运行时的数据结构；
• 在内存中生成该类的 Class 对象；
  • HotSpot 虚拟机把这个对象放在方法区，非 Java 堆。

分类

• 非数组类
  • 系统提供的引导类加载器
  • 用户自定义的类加载器
• 数组类
  • 不通过类加载器，由 Java 虚拟机直接创建
  • 创建动作由 newarray 指令触发，new 实际上触发了 [L全类名 对象的初始化
  • 规则
    • 数组元素是引用类型
      • 加载：递归加载其组件
      • 可见性：与引用类型一致
    • 数组元素是非引用类型
      • 加载：与引导类加载器关联
      • 可见性：public

验证

• 目的： 确保 .class 文件中的字节流信息符合虚拟机的要求。
• 4 个验证过程：
  • 文件格式验证：是否符合 Class 文件格式规范，验证文件开头 4 个字节是不是 “魔数” 0xCAFEBABE
  • 元数据验证：保证字节码描述信息符号 Java 规范（语义分析）
  • 字节码验证：程序语义、逻辑是否正确（通过数据流、控制流分析）
  • 符号引用验证：对类自身以外的信息（常量池中的符号引用）进行匹配性校验
• 这个操作虽然重要，但不是必要的，可以通过 -Xverify:none 关掉。

准备

• 描述： 为 static 变量在方法区分配内存。
• static 变量准备后的初始值：
  • public static int value = 123;
    • 准备后为 0，value 的赋值指令 putstatic 会被放在 <client>() 方法中，<client>()方法会在初始化时执行，也就是说，value 变量只有在初始化后才等于 123。
  • public static final int value = 123;
    • 准备后为 123，因为被 static final 赋值之后 value 就不能再修改了，所以在这里进行了赋值之后，之后不可能再出现赋值操作，所以可以直接在准备阶段就把 value 的值初始化好。

解析

• 描述： 将常量池中的 “符号引用” 替换为 “直接引用”。
  • 在此之前，常量池中的引用是不一定存在的，解析过之后，可以保证常量池中的引用在内存中一定存在。
  • 什么是 “符号引用” 和 “直接引用” ？
    • 符号引用：以一组符号描述所引用的对象（如对象的全类名），引用的目标不一定存在于内存中。
    • 直接引用：直接指向被引用目标在内存中的位置的指针等，也就是说，引用的目标一定存在于内存中。

初始化

• 描述： 执行类构造器 <client>() 方法的过程。
• <client>() 方法
  • 包含的内容：
    • 所有 static 的赋值操作；
    • static 块中的语句；
  • <client>() 方法中的语句顺序：
    • 基本按照语句在源文件中出现的顺序排列；
    • 静态语句块只能访问定义在它前面的变量，定义在它后面的变量，可以赋值，但不能访问。
  • 与 <init>() 的不同：
    • 不需要显示调用父类的 <client>() 方法；
    • 虚拟机保证在子类的 <client>() 方法执行前，父类的 <client>() 方法一定执行完毕。
      • 也就是说，父类的 static 块和 static 字段的赋值操作是要先于子类的。
  • 接口与类的不同：
    • 执行子接口的 <client>() 方法前不需要先执行父接口的 <client>() 方法（除非用到了父接口中定义的 public static final 变量）；
  • 执行过程中加锁：
    • 同一时刻只能有一个线程在执行 <client>() 方法，因为虚拟机要保证在同一个类加载器下，一个类只被加载一次。
  • 非必要性：
    • 一个类如果没有任何 static 的内容就不需要执行 <client>() 方法。

注：初始化时，才真正开始执行类中定义的 Java 代码。

类加载器

如何判断两个类 “相等”

• “相等” 的要求
  • 同一个 .class 文件
  • 被同一个虚拟机加载
  • 被同一个类加载器加载
• 判断 “相等” 的方法
  • instanceof 关键字
  • Class 对象中的方法：
    • equals()
    • isInstance()
    • isAssignableFrom()

类加载器的分类

• 启动类加载器（Bootstrap）
  • <JAVA_HOME>/lib
  • -Xbootclasspath 参数指定的路径
• 扩展类加载器（Extension）
  • <JAVA_HOME>/lib/ext
  • java.ext.dirs 系统变量指定的路径
• 应用程序类加载器（Application）
  • -classpath 参数

双亲委派模型

• 工作过程
  • 当前类加载器收到类加载的请求后，先不自己尝试加载类，而是先将请求委派给父类加载器
    • 因此，所有的类加载请求，都会先被传送到启动类加载器
  • 只有当父类加载器加载失败时，当前类加载器才会尝试自己去自己负责的区域加载
• 实现
  • 检查该类是否已经被加载
  • 将类加载请求委派给父类
    • 如果父类加载器为 null，默认使用启动类加载器
    • parent.loadClass(name, false)
  • 当父类加载器加载失败时
    • catch ClassNotFoundException 但不做任何处理
    • 调用自己的 findClass() 去加载
      • 我们在实现自己的类加载器时只需要 extends ClassLoader，然后重写 findClass() 方法而不是 loadClass() 方法，这样就不用重写 loadClass() 中的双亲委派机制了
• 优点
  • 自己写的类库同名类不会覆盖类库的类