JVM笔记 – 虚拟机执行子系统(虚拟机类加载机制)
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1、概述2、类加载的时机3、类加载的过程3.1、加载3.2、验证文件格式验证:元数据验证:字节码验证:符号引用验证:3.3、准备3.4、解析3.5、初始化4、类加载器4.1、类与类加载器4.2、双亲委派模型启动类加载器( Bootstrap   ClassLoader):扩展类加载器( Extension   ClassLoader):应用程序类加载器( Application   ClassLoader):4.3、破坏双亲委派模型5、本章小结
《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践(第2版)》笔记
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,这就是虚拟机的类加载机制。

Java 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。

2、类加载的时机

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。

其中验证、准备、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)。

虚拟机规范则是严格规定了有且只有 5 种情况必须立即对类进行“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 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。
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,则需要先触发其初始化。
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。
5) 当使用 JDK   1. 7 的动态语言支持时,如果一个 java. lang. invoke. MethodHandle 实例最后的解析结果 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。

通过 子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化。是否要触发子类的加载和验证,在虚拟机规范中并未明确规定,这点取决于虚拟机的具体实现。

通过 数组定义来引用类,不会触发此类的初始化。

3、类加载的过程
3.1、加载

在加载阶段,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。
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。

Class文件的获取方式:

  • 从 ZIP 包中读取,这很常见,最终成为日后 JAR、 EAR、 WAR 格式的基础。
  • 从网络中获取,这种场景最典型的应用就是 Applet。
  • 运行时计算生成,这种场景使用得最多的就是动态代理技术,在 java. lang. reflect. Proxy 中,就是用了 ProxyGenerator.
  • generateProxyClass 来为特定接口生成形式为"*$ Proxy" 的代理类的二进制字节流。

由其他文件生成,典型场景是 JSP 应用,即由 JSP 文件生成对应的 Class 类。

  • 从数据库中读取。

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)是开发人员可控性最强的。

对于数组类而言,情况就有所不同,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。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系,因为数组类的元素类型( Element   Type, 指的是数组去掉所有维度的类型)最终是要靠类加载器去创建,一个数组类(下面简称为 C) 创建过程就遵循以下规则:

如果数组的组件类型( Component   Type, 指的是数组去掉一个维度的类型)是引用类型,那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型,数组 C 将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识(这点很重要,在 7. 4 节会介绍到,一个类必须与类加载器一起确定唯一性)。如果数组的组件类型不是引用类型(例如 int[] 数组), Java 虚拟机将会把数组 C 标记为与引导类加载器关联。

加载阶段完成后,虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中。

Class类对象并没有明确规定是在 Java 堆中,对于 HotSpot 虚拟机而言, Class 对象比较特殊,它虽然是对象,但是存放在方法区里面。

3.2、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。

在字节码语言层面上,上述 Java 代码无法做到的事情都是可以实现的,至少语义上是可以表达出来的。虚拟机如果不检查输入的字节流,对其完全信任的话,很可能会因为载入了有害的字节流而导致系统崩溃,所以验证是虚拟机对自身保护的一项重要工作。

验证阶段大致上会完成下面 4 个阶段的检验动作:

文件格式验证:

第一阶段要验证字节流是否符合 Class 文件格式的规范。

元数据验证:

第二阶段是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。

字节码验证:

主要目的是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。

由于数据流验证的高复杂性,虚拟机设计团队为了避免过多的时间消耗在字节码验证阶段,在 JDK 1. 6 之后的 Javac 编译器和 Java 虚拟机中进行了一项优化,给方法体的 Code 属性的属性表中增加了一项名为" StackMapTable" 的属性

符号引用验证:

最后一个阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候,这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生。

如果所运行的全部代码(包括自己编写的及第三方包中的代码)都已经被反复使用和验证过,那么在实施阶段就可以考虑使用- Xverify: none 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。

3.3、准备

这个阶段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 Java 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。

public static int value= 123;

把 value 赋值为 123 的动作将在初始化阶段才会执行。

特殊情况:如果类字段的字段属性表中存在 ConstantValue 属性,那在准备阶段变量 value 就会被初始化为 ConstantValue 属性所指定的值,假设上面类变量 value 的定义变为:

public static final int value= 123;

编译时 Javac 将会为 value 生成 ConstantValue 属性,在准备阶段虚拟机就会根据 ConstantValue 的设置将 value 赋值为 123。

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。

除 invokedynamic 指令以外,虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存。

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。

3.5、初始化

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,或者可以从另外一个角度来表达:初始化阶段是执行类构造器< clinit >()方法的过程。

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。

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的< clinit >()方法的类肯定是 java. lang. Object。

父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。

接口中不能使用静态语句块,但仍然有变量初始化的赋值操作,因此接口与类一样都会生成< clinit >()方法。但接口与类不同的是,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。另外,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。

如果在一个类的< clinit >()方法中有耗时很长的操作,就可能造成多个进程阻塞

4、类加载器

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”。

类加载器却在类层次划分、 OSGi、 热部署、代码加密等领域大放异彩。

4.1、类与类加载器

即使这两个类来源于同一个 Class 文件,被同一个虚拟机加载,只要加载它们的类加载器不同,那这两个类就必定不相等。

不同的类加载器对 instanceof 关键字运算的结果的影响  link

虚拟机中存在了两个 ClassLoaderTest 类,一个是由系统应用程序类加载器加载的,另外一个是由我们自定义的类加载器加载的

4.2、双亲委派模型

从 Java 虚拟机的角度来讲,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器( Bootstrap ClassLoader), 这个类加载器使用 C++ 语言实现[ 1], 是虚拟机自身的一部分;另一种就是所有其他的类加载器,这些类加载器都由 Java 语言实现,独立于虚拟机外部,并且全都继承自抽象类 java. lang. ClassLoader。

绝大部分 Java 程序都会使用到以下 3 种系统提供的类加载器:

启动类加载器( Bootstrap   ClassLoader):

这个类将器负责将存放在< JAVA_ HOME >\ lib 目录中的,或者被- Xbootclasspath 参数所指定的路径中的,并且是虚拟机识别的(仅按照文件名识别,如 rt. jar, 名字不符合的类库即使放在 lib 目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机内存中。

用户在编写自定义类加载器时,如果需要把加载请求委派给引导类加载器,那直接使用 null 代替即可。

扩展类加载器( Extension   ClassLoader):

它负责加载< JAVA_ HOME >\ lib\ ext 目录中的,或者被 java. ext. dirs 系统变量所指定的路径中的所有类库。

应用程序类加载器( Application   ClassLoader):

由于这个类加载器是 ClassLoader 中的 getSystemClassLoader() 方法的返回值,所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径( ClassPath) 上所指定的类库。

如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器,一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

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。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承( Inheritance) 的关系来实现,而是都使用组合( Composition) 关系来复用父加载器的代码。

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。

类 java. lang. Object, 它存放在 rt. jar 之中,无论哪一个类加载器要加载这个类,最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载,因此 Object 类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。

可以尝试去编写一个与 rt. jar 类库中已有类重名的 Java 类,将会发现可以正常编译,但永远无法被加载运行。

4.3、破坏双亲委派模型

双亲委派模型的第一次“被破坏”其实发生在双亲委派模型出现之前——即 JDK 1.2 发布之前。

JDK 1.2 之后已不提倡用户再去覆盖 loadClass() 方法,而应当把自己的类加载逻辑写到 findClass() 方法中,在 loadClass() 方法的逻辑里如果父类加载失败,则会调用自己的 findClass() 方法来完成加载,这样就可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的。

双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷所导致的。如果基础类又要调用回用户的代码,那该怎么办?

为了解决这个问题, Java 设计团队只好引入了一个不太优雅的设计:线程上下文类加载器( Thread Context   ClassLoader)。

双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的。

OSGi 实现模块化热部署的关键则是它自定义的类加载器机制的实现。每一个程序模块( OSGi 中称为 Bundle) 都有一个自己的类加载器,当需要更换一个 Bundle 时,就把 Bundle 连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。在 OSGi 环境下,类加载器不再是双亲委派模型中的树状结构,而是进一步发展为更加复杂的网状结构。

在 Java 程序员中基本有一个共识: OSGi 中对类加载器的使用是很值得学习的,弄懂了 OSGi 的实现,就可以算是掌握了类加载器的精髓。

5、本章小结
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2014 12/8
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