《深入理解java虚拟机》 第七章虚拟机类加载机制

第七章 虚拟机类加载机制

 

7.1概述

虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行检验、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。

在java语音里，类型的加载、连接和初始化都是在程序运行期间完成的。Jaca里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。

 

7.2类加载的时机

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、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载。加载、验证、准备、初始化、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个顺序开始，但解析阶段不一定。虚拟机规定5种情况下必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）

1. 遇到new 、getstatic、putstatic、invokestatic这四条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，立即触发初始化。这些指令常见的java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）、调用一个类的静态方法。
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，立即触发初始化。
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，用户需要制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主类。
5. 当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MenthodHandle实例最后解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄。如果类没有进行过初始化，立即触发初始化。

以上5种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。

ex:

1. 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。对于静态变量，只有直接定义这个字段的类才会被初始化
2. 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化
3. 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上没有直接应用到定义常量的类，因此不会触发常量定义类的初始化。

 

7.3类加载的过程

7.3.1加载

“加载”是“类加载”过程的一个阶段。在加载阶段，虚拟机需要完成三件事情：（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，作为方法区这个类各种数据的访问入口。

数组类本身不通过类加载器创建，它是由java虚拟机直接创建的。

 

7.3.2验证

• 文件格式验证
• 元数据验证 堆字节码描述的信息进行语义分析，保证符合java语言规范
• 字节码验证
• 符号引用验证

7.3.3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。这里进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），实例变量将会随对象实例化而一起分配堆中内存。假设有一个类变量定义为 public static int value =123; 变量value在准备阶段过后初始值还是0，因为此时还没有执行任何java方法，而把value赋值为123的putstatic指令时程序被编译后，存放在类构造器<clinit>()方法之中，所以把value赋值为123动作将在初始化阶段才会执行。

7.3.4 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：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：直接引用是可以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。

7.3.5 初始化

初始化阶段，才开始执行类中定义的java字节码。

在准备阶段，变量已经附过一次系统要求的初始值。在初始化阶段，执行的是类构造器<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{}）中的语句块合并产生的，静态语句块只能访问到定义在它之前的变量，定义在后的变量，静态语句块可以赋值但是不能访问。
• <clinit>()方法与类的构造函数不同，它不需要显示地调用父类构造器，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<clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。
• 由于父类的<clinit>()方法先执行，也就是说父类的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。
• 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法会在多线程环境中被正确的加锁、同步。

 

7.4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被称为“类加载器”。

7.4.1类与类加载器

对于任意一个类，都需要由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。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。

7.4.2双亲委派模型

三种类加载器

• 启动类加载器 负责将存再<JAVA_HOME>\lib目录中或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的并且是被虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存中。
• 扩展类加载器 负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中或者被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。
• 应用程序类加载器，也成为系统类加载器。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库。

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该有自己的父类加载器。

 

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，而是把这个请求委托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会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时（在它的搜索范围内没有找到所需的类），子加载器才会尝试自己加载。