深入理解Java虚拟机读书笔记4----虚拟机类加载机制

四 虚拟机类加载机制

1 类加载机制

    ---概念：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。

    ---Java语言中，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的。

    ---类的生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载，其中验证、准备、解析统称为连接。

    ---加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的开始顺序是确定的，但是通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另一个阶段。

 

2 必须立即对类进行“初始化”的5种情况

    · 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。常见Java代码场景为：使用new关键字实例化对象、读取或者设置一个类的静态字段（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。

    · 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。

    · 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。

    · 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主类。

    · 当使用动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果是REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

    ---注1：上述五种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。被动引用的例子：

        · 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类的初始化；

        · 通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化；

        · 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。

    ---注2：接口的初始化和类的初始化的区别是上述第3种情况，当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，只有在真正使用到父接口的时候才会初始化。

    ---注3：接口中不能使用“static{}"语句块，但编译器仍会为接口生成“<clinit>”类构造器。

 

3 类加载的过程

    ---包括加载、验证、准备、解析、初始化。

    （1）加载

            ---加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：

                · 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；

                · 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；

                · 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。

            ---一个非数组类的加载阶段（准确地说，是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作）既可以使用系统提供的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成（重写一个类加载器的loadClass()方法）。

            ---数组类本身不通过类加载器创建，而是由Java虚拟机直接创建的；但数组类的元素类型要靠类加载器去创建，创建遵循以下规则：

                · 如果数组的组件类型是引用类型，递归采用普通类的加载过程去加载这个组件类型，该数组将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识；

                · 如果数组的组件类型不是引用类型（如int[])，Java虚拟机将把该数组标记为与引导类加载器关联；

                · 数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，则该数组类的可见性默认为public。

            ---注1：在HotSpot虚拟机中，java.lang.Class对象存放在方法区里面。

            ---注2：加载比连接先开始，但加载阶段与连接阶段的部分内容是交叉进行的。

    （2）验证

            ---目的：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以下4个阶段的检验动作：

                · 文件格式验证：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。

                    ---主要目的：保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。

                    ---具体包括如：魔数的检验；主次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内；常量池的常量中是否有不被支持的常量类型；指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量；Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息；CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据等。

                · 元数据验证：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。

                    ---主要目的：对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

                    ---具体包括如：这个类是否有父类；这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）；如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口中要求实现的所有方法；类中的字段、方法是否与父类产生矛盾等。

                · 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。

                    ---对类的方法体进行校验分析。

                    ---具体包括如：保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作；保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上；保证方法体中的类型转换是有效的等。

                    ---优化：JDK1.6之后，方法体的Code属性的属性表中增加了一项名为“StackMapTable”的属性，该属性描述了方法体中所有的基本块开始时本地变量表和操作数栈应有的状态。从而在字节码验证期间，只需要检查StackMapTable属性中的记录是否合法。

                    ---JDK1.7之后使用类型检查来完成数据流分析校验是唯一的选择。

                · 符号引用验证：对当前类自身以外的信息进行匹配性校验。

                    ---发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，转化动作在解析阶段中发生。

                    ---目的：确保解析动作能正常执行。

                    ---具体包括如：符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类；在指定类中是否存在符合描述符和简单名称所描述的方法和字段；符号引用中的类、字段、方法的访问性是否可以被当前类访问等。

    （3）准备

            ---正式为类变量分配内存（方法区中分配）并设置类变量初始值的阶段。

            ---注1：实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。

            ---注2：初始值“通常情况”下是数据类型的零值，例如变量定义为public static int value = 123，value的值在准备阶段后是0而不是123，赋值123的动作在初始化阶段的类构造器<clinit>()方法中执行。

            ---注3：“特殊情况”：如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那么在准备阶段该变量就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，例如，变量定义为public static final int value = 123，编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机会根据ConstantVaue的设置将value赋值为123。

    （4）解析

            ---符号引用和直接引用的区别：

                · 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。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。

                · 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。直接引用是和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。

            ---虚拟机规范中没有规定解析阶段发生的具体时间，只要求在执行用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用的符号引用进行解析。即虚拟机实现可以根据需要在类加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析（invokedynamic指令除外），也可以等到一个符号引用要被使用前才去解析。

            ---除invokedynamic指令外，虚拟机需要保证在同一个实体中，如果一个符号引用之前已经被成功解析过，那么后续的引用解析请求就应当一直成功；如果第一次解析失败了，那么其他指令对这个符号的解析请求也应该收到相同的异常。

            ---invokedynamic指令：用于动态语言支持，所对应的引用称为“动态调用点限定符”，必须等程序实际运行到这条指令的时候，解析动作才能进行。当碰到某个前面已经由invokedynamic指令触发过解析的符号引用时，并不意味着这个解析结果对于其他invokedynamic指令也同样生效。

            ---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。具体如下

                · 类或接口的解析

                    假设当前代码所处的类为D，如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用，解析过程如下：

                        1）如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，有可能触发其他相关类的加载动作。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就宣告失败。

                        2）如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型。接着虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。

                        3）如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。

                · 字段解析

                    要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先要对字段所属的类或接口的符号引用进行解析，若解析成功，将该字段所属的类或接口用C表示，后续搜索过程如下：

                    1）如果C本身包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束；

                    2）否则，如果在C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，若查找成功，则返回这个字段的直接引用，查找结束；

                    3）否则，如果C不是java.lang.Object的话，则按照继承关系从下往上递归搜索其父类，若查找成功，则返回这个字段的直接引用去，查找结束；

                    4）否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

                    若查找成功，则对该字段进行符号引用验证，检查访问权限。

                    注：若有一个同名字段同时出现在C的接口和父类中，或者同时在自己或父类的多个接口中出现，编译器可能拒绝编译。

                · 类方法解析

                    首先对该方法所属的类或接口的符号引用进行解析，若解析成功，将该方法所属的类或接口用C表示，后续搜索过程如下：

                        1）若C是个接口，则直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常；

                        2）若C是个类，则在C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束；

                        3）否则，在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束；

                        4）否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找，若查找成功，则说明C是一个抽象类，抛出java.lang.AbstractMethodError异常；

                        5）否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

                    若查找成功，则对该方法进行符号引用验证，检查访问权限。

                · 接口方法解析

                    首先对该方法所属的类或接口的符号引用进行解析，若解析成功，将该方法所属的类或者接口用C表示，后续搜索过程如下：

                        1）若C是个类，则直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常；

                        2）若C是个接口，则在C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束；

                        3）否则，在C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类为止，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束；

                        4）否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

    （5）初始化

            ---执行类构造器<clinit>()方法的过程。

            ---<clinit>()方法执行过程中一些可能会影响程序运行行为的特点和细节：

                · <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{}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，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可以赋值，但是不能访问；

                · <clinit>()方法与类的构造函数（<init>()方法）不同，它不需要显式调用父类构造器，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；

                · 父类中定义的静态语句块和类变量的赋值动作要优先于子类的静态语句块和类变量的赋值动作；

                · <clinit>()方法对于类或者接口来说不是必需的，若一个类中既没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法；

                · 接口中不能使用静态语句块。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使用时，父接口才会初始化。接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>()方法。

                · 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、同步。同一个类加载器下，一个类型只会初始化一次。

 

4 类加载器

        ---实现类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作的代码模块。

        ---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立其在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。即比较两个类是否“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。“相等”包括Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。

        ---类加载器的分类：

            （1）从虚拟机的角度

                    · 启动类加载器：使用C++实现。

                    · 其他的类加载器：使用Java实现，继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

            （2）从开发人员的角度

                    · 启动类加载器：无法被Java程序直接引用。

                    · 扩展类加载器：开发者可以直接使用。

                    · 应用程序类加载器：也称为系统类加载器，开发者可以直接使用，若应用程序中没有自定义过自己的类加载器，这个就是程序默认的类加载器。

        ---类加载器之间的关系：双亲委派模型。

        

5 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当有自己的父类加载器。

        ---类加载器之间的父子关系一般使用组合关系来复用父加载器的代码。

        ---工作过程：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时，子加载器才会尝试自己去加载。

        ---好处： Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。

        ---双亲委派模型的3次被“破坏”的情况：

            · 双亲委派模型在JDK1，2之后才被引入，而类加载器和抽象类java.lang.ClassLoader则在JDK1.0时代就已经存在，面对已经存在的用户自定义类加载器的实现代码，Java设计者引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协。

            · 由模型自身的缺陷导致的，双亲委派模型很好地解决了各个类加载器的基础类的统一问题，而有时基础类又要调用回用户代码。典型例子：JNDI服务。

                    ---解决方法：使用线程上下文类加载器，可以实现父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作，即打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器。

            · 由于用户对程序动态性的追求而导致，“动态性”指代码热替换、模块热部署等。