类的加载流程

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概述

什么是类加载呢?

我们知道一个 Class 文件编译完成之后是存在于磁盘的一个普通文件,如果想要执行,必然需要将 Class文件 加载到内存中,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,这个过程其实就是类的加载机制。

当然上述过程说的比较抽象,具体来说其实 Class文件 从开始加载到内存中开始到被卸载回收为止,整个过程分为五大步

image.png

加载

加载类加载 过程的第一步,主要完成三件事情:

  1. 通过类的全限定名来获取定义此类的二进制流获取二进制流
  2. 将字节流所代表的静态存储结构转换成方法区的运行时数据结构(转换存储结构
  3. 在内存中生成一个代表此类的 java.lang.Class 对象,作为"方法区" 这个类的各种数据的访问入口。(生成代表自己的 Class 对象

《Java 虚拟机规范》中其实对这三点的要求并不太具体,留给虚拟机的实现和 Java 应用的灵活性比较大。比如:"通过全类名获取定义此类的二进制字节流" 并没有指明具体从哪里获取、怎样获取。 因而在实际获取二进制字节流的时候就有许多方式,比如:比较常见的就是从 ZIP 包中读取(日后出现的 JAR、EAR、WAR 格式的基础)、其他文件生成(典型应用就是 JSP)等等。

并且相对于类加载过程的其他阶段,非数组类型在加载阶段(在加载阶段获取二进制字节流的阶段)的可控性是最强的。在该阶段,既可以使用 Java 虚拟机内置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,具体可看"类加载器的加载原理"。

此处为何强调是非数组类呢? 主要因为数组类本身是不通过类加载器创建的,它是由 Java 虚拟机直接在内存中构建出来的,但数组类和类加载器仍然还是有着密切的关系,因为数组类中的 元素类型Element Type,指的是数组去掉所有维度的类型)最终还是要通过类加载器来加载完成。

一个数组类(简称 C)创建过程遵循如下流程:

空白.jpg

  1. 在加载时首选判断数组的 组件类型Component Type 数组去掉一个维度之后的类型)是否是引用类型,如果是则按照本小节定义的"加载过程" 所来进行加载,并将数组类的可访问性设置成与组件类型的可访问性相同
  2. 如果不是引用类型(比如 int[]中的 int)则将其与"引导类加载器" 相关联,将数组类的可访问性设置成 public

这边可能某些小伙伴会有疑问,此处的元素类型和组件类型有什么具体区别吗?

此处我们写一个小例子来做一个说明,具体代码如下所示:


public class TestComponentType {
	public static void main(String[] args) {
		String[] str1 = new String[0];
		String[][] str2= new String[0][0];
		/**
		 * 获取数组变量的组件类型
		 */
		System.out.println("str1的组件类型为:"+str1.getClass().getComponentType());
		System.out.println("str2的组件类型为:"+str2.getClass().getComponentType());
	}
}

运行结果如下:

str1的组件类型为:class java.lang.String
str2的组件类型为:class [Ljava.lang.String;

我们可以看到一维数组和二维数组的 组件类型 是不同的,str1 去掉一个维度的的类型之后为 String,因而其 组件类型 就是 java.lang.String 而 str2 去掉一个维度的类型之后变成一维数组 [Ljava.lang.String。而 str1 和 str2 它们的 元素类型 是相同的都是 java.lang.String

总结来说就是 组件类型数组去掉一个维度之后的类型; 元素类型 是去掉所有维度信息之后的数据类型。

好了前边我们讲了类加载阶段所做的一些事情,但我们思考这样一个问题,什么情况下需要开始类加载的第一个过程?或者说类加载的一个时机

实际上第一个阶段“加载”的一个具体时机,《Java 虚拟机规范》中并没有强制要求,而是严格规定了有且只有六种情况下需要对类进行"初始化",因而在初始化之前的加载连接过程必须提前完成。

连接

连接 过程展开来说分成了三个步骤:验证、准备和解析。

验证

验证是连接阶段的第一步,主要用来确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合《Java 虚拟机规范》的全部约束要求。

首先我们要考虑为什么要有验证这一步骤呢

前面我们说到由于到 Class 文件来源的宽泛性要求,因而如果对加载的 Class 文件完全信任的话,可能会因为载入了有错误或者有恶意企图的字节码流而导致整个系统受到攻击甚至崩溃,所以验证字节码是 Java 虚拟机保护自身的一项必要措施

既然说验证的过程这么重要,那 jvm 虚拟机是如何进行验证的?或者说在验证阶段它做了哪些工作呢?

从整体上看,验证阶段主要完成了四个阶段的工作:

- 验证阶段的工作 - 文件格式验证 - 元数据验证 - 字节码验证 - 符号引用验证

文件格式验证

该阶段主要验证字节流是否符合 Class 文件格式的规范,并且能够被当前版本的虚拟机处理。该阶段验证点有很多比如:

该阶段的主要目的是保证字节流能够正确的解析并存储在"方法区" 之内,格式上符合一个 Java 类型信息的要求,只有通过了这个阶段的验证之后,这段字节流才被允许进入 Java 虚拟机内存的方法区中进行存储。

元数据验证

该阶段是对字节码描述信息进行语义分析,保证其描述信息符合《Java 虚拟机规范》的要求。

验证点可能包含如下内容:

该阶段主要目的对类的元数据信息进行语义校验

字节码校验

第三个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分析和控制流分析,确定程序语义是合法的符合逻辑的,不会做出危害虚拟机的行为。

该阶段会对类的方法体(Class 中的"Code 属性" )进行校验分析保证被校验方法在运行期间不会对虚拟机的安全造成威胁,比如:

那进行了这么严密的验证,是否就说明我们的代码绝对就是安全的呢?

这个答案肯定是否定的,即使字节码验证阶段进行了再严密、再大量的检查,仍然无法保证其绝对安全性,这就涉及到离散数学中一个著名问题-停机问题,简单来说就是,我们无法通过程序检查出程序能否在有限时间内结束运行。这是一个悖论,无法被解决。

另外,前边我们提到这个字节码校验是加载阶段最为耗时,最为复杂的操作,但它由是我们类加载过程中必不可少的过程,如果耗时太长会对程序的实时性带来很大的影响,因此需要通过一些措施来减少在该阶段的耗时。

那我们考虑能不能把其中一些校验操作放到类加载之前呢?

在 JDK6 之后的 Javac 编译器和 Java 虚拟机里进行一项联合优化,把尽可能多的校验辅助措施挪到 Javac 编译器里进行。

具体做法就是在方法体"的 Code 属性"中增加一项 StackMapTable 的新属性,这项属性描述了方法体所有的基本块(Basic Block,按照控制流拆分的代码块)开始时候本地变量表和操作栈应有的状态,在字节码验证期间,Java 虚拟机就不需要根据程序推导这些状态,只需要检查 StackMapTable 属性中记录是否合法即可。

符号引用验证

最后一个阶段工作是在虚拟机 符号引用 转化成 直接引用 的时候即在"解析"阶段 发生的,所做的事情主要是对类自身以外的各类信息进行匹配性校验,通俗来讲,要校验这个类缺少所需要的外部类、方法、字段等资源,是否访问了本该被没有访问权限的一些外部类、方法等资源。具体来说:

这一步骤的主要目的是确保解析行为是否能够正常执行。

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,这些内存都将在方法去中进行分配,但在该阶段我们需要注意一下两点:

  1. 该阶段进行内存分配的只包含类变量,不包含实例变量,实例变量将在"对象的创建过程"中分配在 Java 堆中。
  2. 类变量的初始化通常情况下是零值,但如果是常量则会直接对常量进行初始化,比如 public static final int value = 123; 常量 value 在该阶段会直接被初始化成 123

基本类型的初始化表如下所示:

image.png

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。

其中 符号引用 可以是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,只要能够无歧义定位到目标即可。直接引用 则是可以直接指向目标的指针,相对偏移量,或者能够间接定位到目标的句柄。这里的直接引用可能和操作系统中的直接寻址不同,直接寻址里边直接放的是地址,一步到位。而这里的直接引用分成了三类,但它们总体特点就是在程序运行中虚拟机可以通过该引用找到目标即可。

解析动作主要是针对七类符号引用进行的:

- 解析的种类 - 类或接口解析 - 字段解析 - 方法解析 - 接口方法解析 - 方法类型解析 - 方法句柄解析 - 调用点限定符解析

具体的解析过程,限于篇幅原因,此处暂不详述,具体可参考《深入理解 JVM 虚拟机第三版》第七章内容。

初始化

前边我们说了《Java 虚拟机规范》中有且只有六种情况必须对类进行初始化

  1. 遇到 new、getstatic、putstatic 或者 invokestatic 这四条字节码指令时,如果类型没有进行初始化,则需要先触发其初始化阶段。

    能够生成这四种字节码指令的典型场景如下:

    1. 使用 new 创建新对象
    2. 读取或者设置一个类型的静态字段(用 final 修饰的常量或者已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)的时候
    3. 调用一个类型的静态方法
  2. 使用 java.lang.reflect 包中的方法对类型进行反射调用的时候

  3. 当初始化类的时候,发现其父类没有被初始化,需要先触发其父类的初始化

  4. 虚拟机启动时,用户指定的主类(含 main)没有被初始化时,需要被初始化

  5. 当使用 JDK7 新加入的动态语言支持时,如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的执行结果为 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStati、REF_newInvokeSpecial 这四种类型的句柄方法,并且这个方法的句柄对应的类没有进行初始化,则需要先触发其初始化。

  6. 当一个接口定义了 JDK8 中新加入的默认方法(被 default 关键字修饰的接口方法)时,如果这个接口的实现类发生了初始化,那该接口要在其之前被初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤,也是真正开始执行类中编写的 Java 程序代码的过程(其他过程除 加载 过程外其他过程完全由虚拟机主导),本质上是讲,就是执行类构造器 <clinit>() 方法的过程。

但我们需要注意的是 <clinit>() 方法本身并不是程序员直接在程序代码中编写的,而是由 Javac 编译器自动生成的。既然这样为何前边又说初始化类会真正开始执行类中编写的 Java 程序代码 ❓ ❓

要解决这个问题,我们有必要了解一下 <Clinit>() 方法的生成过程:

clinit() 方法是由编译器自动收集类中所有类变量赋值语句静态语句块(static{}块)合并生成。收集顺序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可以赋值但不能访问

例如下边程序:

public class TestStaticVariable {
	static {
		a = 2; //给变量赋值可以正常通过编译通过
		//System.out.println(a); //报错Cannot reference a field before it is defined
	}
	static int a = 1;

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(a);
	}
}

运行结果为:1

运行结果似乎在静态代码块中的赋值操作根本没起作用,那这样的设计的目的是啥? 为什么不直接设计成编译错误呢?

同时思考下边一段代码:


public class TestStaticVariable {
	static {
		a = 2;
	}
	static int a;

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(a);
	}
}

运行结果为:2

为什么它又起作用了???

这两个问题暂未想明白。。🤔 "#Java#为何定义在它之后的变量可以被赋值,但不能被访问呢?"

这里的 <clinit>() 方法似乎和实例对象的 <init>() 方法很相似呀,但实际上它们也有很多不同点

clinit() 方法它不需要显示的调用父类构造器,Java 虚拟机会保证在子类的 <clinit>() 方法在执行之前父类<clinit()> 方法已经执行完成。因而在 Java 虚拟机中第一个被执行 <clinit>() 的方法类型肯定是 java.lang.Object

同时关于 <clinit>() 我们还要注意一下几点:

  1. 并不是所有类都会生成 <clinit>() 方法,如果一个类没有静态语句块,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。
  2. 在接口中,虽然不能使用静态语句块,但由于仍然存在变量的初始化操作,因而在这种情况下,接口也会生成 <clinit>() 方法,但与类不同的时,执行接口的 <clinit>() 方法时,不需要先执行父类的 clinit() 方法,因为只有当父接口中定义的变量被使用时,父接口才会被初始化。
  3. 因为 <clinit>() 方法是 java 虚拟自动生成并加载的,因而 java 虚拟机会自动保证其加锁同步。但这可能也会导致一个问题,如果一个类的 <clinit>() 方法中有耗时很长的操作时,可能会造成多个线程阻塞。

使用

使用过程实际上就是通过类模板,创建对象的过程。具体参考"对象的创建过程"

卸载

卸载类,实际上就是指该类的 Class 对象被"GC" 。当类被卸载时需要满足三个要求:

  1. 该类的所有的实例对象都已被 GC,也就是说堆不存在该类的实例对象。
  2. 该类没有在其他任何地方被引用
  3. 该类的类加载器的实例已被 GC

总结

本文主要讲了类文件从加载到内存、连接、初始化、使用和卸载完整生命周期中 Java 虚拟机所做的工作以及每一步操作的必要性,希望能给读者以帮助。

参考

  1. 类加载过程
  2. 《深入理解 Java 虚拟机》
  • Java

    Java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言,是由 Sun Microsystems 公司于 1995 年 5 月推出的。Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。

    2920 引用 • 8120 回帖 • 671 关注
  • JVM

    JVM(Java Virtual Machine)Java 虚拟机是一个微型操作系统,有自己的硬件构架体系,还有相应的指令系统。能够识别 Java 独特的 .class 文件(字节码),能够将这些文件中的信息读取出来,使得 Java 程序只需要生成 Java 虚拟机上的字节码后就能在不同操作系统平台上进行运行。

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