《深入理解 Java 虚拟机》读书笔记：虚拟机类加载机制

正文

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。

一、类加载的时机

1、类的生命周期

加载 -> 连接（验证、准备、解析） -> 初始化 -> 使用 -> 卸载

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这种顺序按部就班地开始。解析阶段则不一定，它在某些情况可以在初始化之后再开始，这是为了支持 Java 语言的运行时绑定（也称动态绑定或晚期绑定）。

这些阶段通常是互相交叉地混合式进行，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

2、类的初始化时机

• 遇到 new（实例化对象）、getstatic（读取类的静态字段）、putstatic（设置类的静态字段）、invokestatic（调用类的静态方法） 这 4 条字节码指令时。
• 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用时。
• 初始化一个类的子类时。
• 虚拟机启动时，会先初始化主类（main 方法所在的类）。
• 使用 java.lang.invoke.MethodHandle 获取类的方法句柄时。

二、类加载的过程

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 3 件事：

• 通过类的全限定名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。

2、验证

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。验证阶段大致包含 4 个阶段的检验动作。

（1）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。

验证内容：

• 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。
• ...

主要目的是保证输入的字节流能正确解析并存储于方法区内，格式上符合描述一个 Java 类型信息的要求。

该阶段的验证是基于字节流进行的，只有验证通过了，字节流才会进入内存的方法区中进行存储。所以后面 3 个验证阶段都是基于方法区的存储结构进行的。

（2）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。

验证内容：

• 这个类是否有父类（除 java.lang.Object 外，所有类都应当有父类）。
• 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中要求实现的所有方法。
• ...

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

对类的方法体进行检验分析，保证类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件。

验证内容：

• 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。
• ...

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。

（4） 符号引用验证

对类自身以外（常量池中的各种符合引用）的信息进行匹配性校验。这一阶段发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用时。

验证内容：

• 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、方法的访问性是否可被当前类访问。
• ...

主要目的是确保解析动作能正常执行。

3、准备

准备阶段是为类变量分配内存并设置初始值的阶段。

有两点需要强调一下：

• 进行内存分配的仅包括类变量，而不包括实例变量。
• 初始值通常是数据类型的零值。

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：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。

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，分别对应常量池的 CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info 和 CONSTANT_InvokeDynamic_info 7 种常量类型。

5、初始化

初始化阶段是根据程序员的主观计划去初始化类变量和其他资源的阶段。或者从另一个角度表达，初始化阶段是执行类构造器 clinit() 方法的过程。

到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码（或者说字节码）。

三、类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过类的全限定名获取定义此类的二进制字节流”这个动作放到 Java 虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

1、类与类加载器

对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器（每一个类加载器都有一个独立的类名称空间）和这个类本身，一同确立其在 Java 虚拟机中的唯一性。

换句话说，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。

2、类加载器分类

从 Java 虚拟机角度讲，只存在两种不同的类加载器：

• 启动类加载器：使用 C++ 语言实现，是虚拟机自身的一部分。
• 其他类加载器：由 Java 语言实现，独立于虚拟机外部。

从 Java 开发人员角度讲，可分为三种类加载器：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责将存放在 <JAVA_HOME>\lib 目录的，或者 -Xbootclasspath 参数所指定路径中的，能被虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存中。
  启动类加载器无法被 Java 程序直接引用。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现，负责加载 <JAVA_HOME>\lib\ext 目录中的，或者 java.ext.dirs 系统变量所指定路径中的所有类库。
  开发者可直接使用扩展类加载器。
• 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现，负责加载用户类路径上所指定的类库。
  开发者可直接使用应用程序类加载器。

3、双亲委派模型

如果一个类加载器收到类加载的请求，它会先把这个请求委派给父加载器去完成，而不会自己去尝试加载这个类。只有父加载器无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载。