java虚拟机类加载机制

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。其中准备、验证、解析3个部分统称为连接（Linking）。

 

 

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类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（也称为动态绑定或晚期绑定）。

类加载的过程

加载

在加载阶段（可以参考 java.lang.ClassLoader的 loadClass()方法），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（并没有指明要从一个 Class 文件中获取，可以从其他渠道，譬如：网络、动态生成、数据库等）；
  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；

加载阶段和连接阶段（Linking）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着固定的先后顺序。

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。验证阶段大致会完成 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；例如：是否以魔术 0xCAFEBABE 开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
  2. 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合 Java 语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。
  3. 字节码验证：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：确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone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。

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，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。这时候进行内存分配的仅包括类变量（被 static修饰的变量），而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在堆中。其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：

public static int value = 123;

那变量 value 在准备阶段过后的初始值为 0 而不是 123. 因为这时候尚未开始执行任何 java 方法，而把 value 赋值为 123 的 putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器clinit()方法之中，所以把 value 赋值为 123 的动作将在初始化阶段才会执行。
至于“特殊情况”是指：public static final int value = 123，即当类字段的字段属性是 ConstantValue时，会在准备阶段初始化为指定的值，所以标注为 final之后， value 的值在准备阶段初始化为 123 而非 0.

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。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 7 类符号引用进行。

  • 符号引用：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。
  • 直接引用：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或者一个能间接定位到目标的句柄。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。
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。在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者说：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程.

<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{}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，静态语句块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。如下：

public class Test
{
    static
    {
        i=0;
        System.out.println(i); //这句编译器会报错：Cannot reference a field before it is defined（非法向前应用）
    }
    static int i=1;
}

虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确的加锁、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>()方法中有好事很长的操作，就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是隐藏的。

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”。

类加载器可以说是 Java 语言的一项创新，也是 Java 语言流行的重要原因之一，在类层次划分、OSGi、热部署、代码加密等领域大放异彩，成为了 Java 技术体系中一块重要的基石。

类与类加载器

对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确认其在 Java 虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间：比较两个类是否相等，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类源自同一个 Class 文件，被同一个虚拟机加载，只要加载他们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

package xiao;

import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class TestAll {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {
        ClassLoader classLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                String filename = "D:\\WorkSpace\\IDEA\\HelloWorld\\out\\production\\HelloWorld\\xiao\\"
                         + name.split("\\.")[name.split("\\.").length - 1] + ".class";
                InputStream is = getClass().getResourceAsStream(filename);
                if (is == null) {
                    return super.loadClass(name);
                }
                try {
                    byte[] bytes = new byte[is.available()];
                    is.read(bytes);
                    return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
                } catch (IOException e) {
                    throw new ClassNotFoundException(name);
                }
            }
        };
        Object obj1 = classLoader.loadClass("xiao.TestAll");
        System.out.println(obj1 instanceof xiao.TestAll);
        Object obj2 = TestAll.class.getClassLoader().loadClass("xiao.TestAll").newInstance();
        System.out.println(obj2 instanceof xiao.TestAll);
    }
}

false
true

双亲委派模型

 

 
 

  • 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):
    这个类加载器负责将<JAVA_HOME>\lib目录下的类库加载到虚拟机内存中,用来加载 Java 的核心库,此类加载器并不继承于java.lang.ClassLoader,不能被 Java 程序直接调用,代码是使用 C++ 编写的.是虚拟机自身的一部分.

  • 扩展类加载器(Extendsion ClassLoader):
    这个类加载器负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录下的类库,用来加载 Java 的扩展库,开发者可以直接使用这个类加载器.

  • 应用程序类加载器(Application ClassLoader):
    这个类加载器负责加载用户类路径(CLASSPATH)下的类库,一般我们编写的 Java 类都是由这个类加载器加载,这个类加载器是 CLassLoader中的 getSystemClassLoader()方法的返回值,所以也称为系统类加载器.一般情况下这就是系统默认的类加载器.

除此之外,我们还可以加入自己定义的类加载器,以满足特殊的需求,需要继承 java.lang.ClassLoader类.

双亲委派模型是一种组织类加载器之间关系的一种规范,他的工作原理是:如果一个类加载器收到了类加载的请求,它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,这样层层递进,最终所有的加载请求都被传到最顶层的启动类加载器中,只有当父类加载器无法完成这个加载请求(它的搜索范围内没有找到所需的类)时,才会交给子类加载器去尝试加载.

这样的好处是: Java 类随着它的类加载器一起具备了带有优先级的层次关系.这是十分必要的,比如java.langObject,它存放在\jre\lib\rt.jar中,它是所有 Java 类的父类,因此无论哪个类加载都要加载这个类,最终所有的加载请求都汇总到顶层的启动类加载器中,因此 Object 类会由启动类加载器来加载,所以加载的都是同一个类,如果不使用双亲委派模型,由各个类加载器自行去加载的话,系统中就会出现不止一个 Object 类,应用程序就会全乱了.

Class.forname() 与 ClassLoader.loadClass()：

  • Class.forname()：是一个静态方法,最常用的是Class.forname(String className);根据传入的类的全限定名返回一个 Class 对象.该方法在将 Class 文件加载到内存的同时,会执行类的初始化。如: Class.forName("com.wang.HelloWorld");

  • ClassLoader.loadClass()：这是一个实例方法,需要一个 ClassLoader 对象来调用该方法,该方法将 Class 文件加载到内存时,并不会执行类的初始化,直到这个类第一次使用时才进行初始化.该方法因为需要得到一个 ClassLoader 对象,所以可以根据需要指定使用哪个类加载器.如：ClassLoader cl=.......; cl.loadClass("com.wang.HelloWorld");

 

 

 


参考链接：

https://www.jianshu.com/p/c4a727827896

http://blog.itpub.net/28624388/viewspace-2213484/
《深入理解Java虚拟机》

posted @ 2021-01-08 17:59  diameter  阅读(101)  评论(0)  编辑  收藏  举报