虚拟机类加载机制

概述

虚拟机的类加载机制: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。

与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同,在 Java 语言里面,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,

  • 缺点:这种策略会令类加载时稍微增加一些性能开销

  • 优点:为 Java 应用程序提供高度的灵活性,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。

例如,如果编写一个面向接口的应用程序,可以等到运行时再指定其实际的实现类;约定:

  • 第一,在实际情况中,后文中直接对「类」的描述都包括了类和接口的可能性,而对于类和接口需要分开描述的场景会特别指明;

  • 第二,「Class 文件」并非特指某个存在于具体磁盘中的文件,这里所说的「Class 文件」应当是一串二进制的字节流,无论以何种形式存在都可以。

类加载的时机

七个阶段:

  • 加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的

  • 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)

注意,这里说的是按部就班地「开始」,这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行的,通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。也就是说可能有些阶段未完成,下一个阶段就开始了。

对于初始化阶段,虚拟机规范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。 > 生成这 4 条指令的最常见的 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)的时候, > - 以及调用一个类的静态方法的时候。

  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。

  • 主动引用:以上 5 种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。
  • 被动引用:除了以上 5 种场景中的行为以外的对一个进行引用的行为。

类加载的过程

加载

在加载阶段,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。

虚拟机规范的这3点要求其实并不算具体,因此虚拟机实现与具体应用的灵活度都是相当大的。

  • 一个非数组类的加载阶段,开发人员可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式(即重写一个类加载器的 loadClass()方法)。

    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,因为加载阶段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

  • 对于数组类而言,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。

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(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。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,那数组类的可见性将默认为 public。

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,方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义,虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象

Class 对象比较特殊,它虽然是对象,但是存放在方法区里面

加载阶段与连接阶段的部分内容(如一部分字节码文件格式验证动作)是交叉进行的,这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

验证

为什么需要验证?

  • 验证是虚拟机对自身保护的一项重要工作。

验证什么?

  • 文件格式验证(保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内)

    • 是否以魔数 0xCAFEBABE 开头。
    • 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(检查常量 tag 标志)。
    • 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。
    • ……
  • 元数据验证(保证其描述的信息符合 Java 语言规范的要求)

    • 这个类是否有父类(除了 java.lang.Object 之外,所有的类都应当有父类)。
    • 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之中要求实现的所有方法。即,非抽象类是否实现了所有应该实现的方法.
    • 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾(例如覆盖了父类的 final 字段,或者出现不符合规则的方法重载,例如方法参数都一致,但返回值类型却不同等)。
  • 字节码验证(保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件)

    • 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到方法体意外的字节码指令上。
    • 保证方法体中的类型转换是有效的。 > 如果一个类方法体的字节码没有通过字节码验证,那肯定是有问题的;但如果一个方法体通过了字节码验证,也不能说明其一定就是安全的。

离散数学中一个很著名的问题「Halting Problem」(停机问题) :通过程序去校验程序逻辑是无法做到绝对准确的——不能通过程序准确地检查出程序是否能在有限的时间之内结束运行。

  • 符号引用验证(将符号引用转化为直接引用的时候,对类自身以外的信息进行匹配性校验)

    • 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方法的字段描述符以及简单名称所描述的*方法和字段。
    • 符号引用中的类、字段、方法的访问性(private、protected、public、default)是否可被当前类访问。

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。

  • 首先,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 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,这时候尚未开始执行任何 Java 方法。public static final int value=123;

「通常情况」:public static final int value=123;那变量在准备阶段过后的初始值是0而不是123

「特殊情况」:public static final int value=123;那么在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123(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)

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(Symbolic References):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。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(Direct References):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。

符号引用于虚拟机实现的内存布局无关

直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的

如果有了直接引用,那引用的目标必定已经在内存中存在。

  • 对同一个符号进行多次解析请求时很常见的事情,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,从而避免解析重复

  • 对于invokedynamic指令,则不然。指令的目的本来就是用于动态语言支持,它所对应的引用称为「动态调用点限定符」(Dynamic Call Site Specifier)

  • 「动态」的含义就是必须等到程序实际运行到这条指令的时候,解析动作才能进行。
  • 「静态」是指可以在刚刚完成加载阶段,还没有开始执行代码时就进行解析。

类或接口的解析

字段解析

类方法解析

接口方法解析

类加载器

类加载器是Java的一大创新,也是其流行的原因之一,最初是为Applet需要开发,现在却在类层次划分,OSGi,热部署,代码加密等领域大放异彩。

类与类加载器

如何比较两个类相等?

  • 类本身是不是相等

  • 类加载器是不是相等

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 ,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。

  • 从 Java 开发人员的角度来看,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):启动类无法直接被用户使用,只能通过子类返回 null 来间接调用。

    • 扩展类加载器(Extension ClassLoader):开发者可以直接使用扩展类加载器。

    • 应用程序类加载器(Application ClassLoader):负责加载用户路径上所指定类库,可以直接被开发者使用。

  • 该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。

  • 此处的父子关系通常不会通过 继承 关系来实现,而是选择组合关系来复用父加载器的代码

工作过程:当一个类加载器收到了类加载的请求时,它不是自己加载,而是将这个请求委派给父类加载器去完成,每一层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该请求时,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。 - 保证 java 核心库的安全性(例如:如果用户自己写了一个 java.lang.String 类就会因为双亲委派机制不能被加载,不会破坏原生的 String 类的加载)

「破坏」双亲委派模型

双亲委派模型并不是一个强制性的约束模型。

  1. 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。
  2. 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,双亲委派很好地解决了各个类加载器的基础类的统一问题(越基础的类由越上层的加载器进行加载)基础类之所以称为「基础」,是因为它们总是作为被用户代码调用的 API,但是基础类调用回用户的代码不容易(用回调不行??)一个典型的例子便是 JNDI 服务

  3. 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,这里所说的「动态性」指的是当前一些非常「热门」的名词:代码热替换(HotSwap)、模块热部署(HotDeployment)等,说白了就是希望应用程序能像我们的计算机外设那样,接上鼠标、U 盘,不用重启机器就能立即使用。热插拔?

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」,当收到类加载请求时,OSGi 将按照下面的顺序进行类搜索:

  1. 将以 java.*开头的类委派给父类加载器加载。
  2. 否则,将委派列表名单内的类委派给父类加载器加载。
  3. 否则,将 Import 列表中的类委派给 Export 这个类的 Bundle 的类加载器加载。
  4. 否则,查找当前 Bundle 的 ClassPath,使用自己的类加载器加载。
  5. 否则,查找类是否在自己的 Fragment Bundle 中,如果在,则委派给 Fragment Bundle 的类加载器加载。
  6. 否则,查找 Dynamic Import 列表的 Bundle,委派给对应 Bundle 的类加载器加载。
  7. 否则,类查找失败。