JVM解析——类加载

本系列主要记录笔者在学习 [深入理解Java虚拟机] 一书时的理解
我们都知道在Java中,我们并不需要过多的在意内存的管理,这一切都交给了虚拟机自动管理,我们并不需要操心何时需要去释放一个对象的内存。
当然,如果出现了内存溢出或泄漏,我们就必须去了解一下Java虚拟机的内存管理机制以便于我们解决问题
[笔者仍为Android初学者。如有解释错误的地方,欢迎评论区指正探讨]

本篇为该系列第五篇,深入了解Jvm的类加载机制。


类加载

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。

类加载的过程

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。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接(Linking)。

类加载流程

在整个过程中,加载,验证,准备,初始化和卸载这五个步骤的开始顺序是固定这样的。而解析则不一定,他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。
PS:这里的顺序指的是开始顺序,而不是进行或完成,是因为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。

Java虚拟机规范中并没有进行强制约束什么情况下需要开始第一个阶段加载,这部分可以交由各个虚拟机的具体实现控制,而对于初始化阶段则不同,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newgetstaticputstaticinvokestatic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_getStaticREF_putStaticREF_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。

这5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
列举一些被动引用的例子:

/**
*通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化
**/
public class SuperClass{
    public static int value=123;
    static{
        System.out.println("SuperClass init!");
    }
}

public class SubClass extends SuperClass{
    static{
        System.out.println("SubClass init!");
    }
}

/**
*非主动使用类字段演示
**/
public class MainClass {
    public static void main(String[]args){
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}

在HotSpot虚拟机的默认情况下:
上述代码运行之后,只会输出“SuperClass init!”,而不会输出“SubClass init!”。
对于静态字段,只有直接定义这个字段的类才会被初始化,因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段,只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。

/**
*通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化
**/
public class SuperClass{
    static{
        System.out.println("SuperClass init!");
    }
}

public class MainClass{
    public static void main(String[]args){
        SuperClass[]sca=new SuperClass[10];
    }
}

通过数组定义来引用类,并不会触发此类的初始化,当却会触发另一个名为[LpackageName.SuperClass的初始化,有没有觉得个类很熟悉,这不就是我们直接打印一个数组时出来的东西吗?它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承于java.lang.Object的子类,创建动作由字节码指令newarray触发。这个类代表了一个元素类型为SuperClass的一维数组,数组中应有的属性和方法(用户可直接使用的只有被修饰为publiclength属性和clone()方法)都实现在这个类里。Java语言中对数组的访问比C/C++相对安全是因为这个类封装了数组元素的访问方法。

/**
*被动使用类字段演示三:
*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。
**/
public class ConstClass {
    public static final String HELLOWORLD="hello world";
    static{
        System.out.println("ConstClass init!");
    }
}

/**
*非主动使用类字段演示
**/
public class MainClass {
    public static void main(String[]args){
        System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
    }
}

上述代码运行之后,也没有输出“ConstClass init!”,这是因为虽然在Java源码中引用了ConstClass类中的常量HELLOWORLD,但其实在编译阶段通过常量传播优化,已经将此常量的值“hello world”存储到了MainClass类的常量池中,以后MainClass对常量ConstClass.HELLOWORLD的引用实际都被转化为MainClass类对自身常量池的引用了。

接口的加载和类加载大致相同,一个比较大的区别在于,类加载要求父类都加载过才可加载子类,而接口并不需要父接口都加载过,只有在真正使用到父接口的时候(如引用接口中定义的常量)才会初始化。

大致了解完类加载的流程顺序之后,我们来逐步了解每一步都做了什么。

加载

加载,是类加载的第一个过程,在加载阶段,虚拟机会完成一下3件事情:

  1. 通过类的全限定名来获取定义此类的的二进制字节流。
  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存储结构
  3. 在内存中生成一个代表这个类的Class对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

对于开发人员来说,这一步骤是相当自由,虚拟机只限制了要通过一个类的全限定名来获取此类的二进制字节流,并没有限制,这部分流应该从哪获取。

对于一个非数组类的加载阶段,开发人员即可以使用系统提供的类加载器去完成,也可以自定义一个类加载器去完成,(重写一个加载的loadClass方法)。也就是说我们可以自己解析各种类型的文件或者其他数据来获取一个类。
类加载器这部分将在后面的篇章讲解。

而对于数组类(指的是[LPackageName.YourClass,而不是数组中的元素),则有所不同,因为数组类本身不通过类加载器构建,他是由虚拟机直接创建。
PS:数组的元素最终还是会通过类加载器加载。

加载阶段完成之后,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。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象(在HotSpot虚拟机中,这个对象存放在方法区),作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。

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,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。

我们前面提到,加载的时候,可以构建自定义的类加载器,从指定的数据源中获取一个类,那么就存在一定的问题,我们完全可以无视Java语言层的语法,自己生成class文件,实现Java语法不允许的操作,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。

验证阶段十分重要,需要检验的东西也很多,但从整体上看,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、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

  1. 文件格式验证
    这一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范,主要基于二进制文件流进行,该阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确的解析并存储于方法区内。只有过了这个阶段的检验,字节流才会进行内存的方法区中进行存储。而后的三个检验都是基于方法区的存储结构进行的,不会再操作字节流。
  2. 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。的主要目的是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。
  3. 字节码验证
    第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段,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。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后,这个阶段将对类的方法体进行校验分析,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,譬如在操作栈放置了一个int类型的数据,使用时却按long类型来加载入本地变量表中。这显然是危险的。
  4. 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。符号引用验证可以看做是对类自身以外(常量池中的各种符号引用)的信息进行匹配性校验,确保了解析动作能够正常执行,否则将有可能出现根据符号引用无法找到对应类的情况。

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。
PS:这里提到的是类变量,指的是静态变量,而普通变量并不会在这一阶段赋值。而且这里提到的初始值,值得是零值,具体设置的值将在初始化阶段设置。

特殊的是,如果这是个静态常量,那么就不是直接赋予零值,而是直接设置具体的值。

解析

解析是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

  • 符号引用指的是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

前面已经提到,解析阶段可以先执行也可以慢执行,所以虚拟机实现可
以根据需要来判断到底是在类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析,还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它。

对于一个符号引用进行多次解析是很正常的事情,所以虚拟机会对第一次的解析结果进行缓存,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;同样的,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。

解析动作主要针对接口字段类方法接口方法方法类型方法句柄调用点限定符7类符号引用进行,分别对应于常量池的CONSTANT_Class_infoCONSTANT_Fieldref_infoCONSTANT_Methodref_infoCONSTANT_InterfaceMethodref_infoCONSTANT_MethodType_infoCONSTANT_MethodHandle_infoCONSTANT_InvokeDynamic_info 7种常量类型。

初始化

初始化时类加载的最后一步,前面的类加载过程中,除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外,其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段,才真正开始执行类中定义的Java程序代码(或者说是字节码)。

在准备阶段,变量已经赋过一次系统要求的初始值(零值),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。

从代码的角度来说,初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。(不同构造函数<init>()

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。特殊的是,接口并不需要先执行父接口的<clinit>(),而是等到父接口被使用时才初始化。

<clinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的,如果一个类中没有静态语句块,也没有对变量的赋值操作,那么编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法。

小结

简单了解一下类加载的流程,加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载。现在是不是对于一个如何载入虚拟机更加清晰?
由于类加载部分在之前已经做过笔记,这里不在重复施工。

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