虚拟机类加载机制

时间:2022-12-21 11:28:25

一. 类加载的时机
类的生命周期
虚拟机类加载机制
如图,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的开始,这里笔者写的是按部就班的“开始”,而不是“进行”或者“完成”,强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行的,通常在一个阶段执行的过程中调用,激活另外一个状态。
JAVA虚拟机中没有强制约束什么时候开始类加载的第一个阶段:加载。但对于初始化阶段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,准备自然在此之前完成):

  • 遇到new,getstatic,putstatic或invokestatic这4条字节码指令时,如果类没有初始化,则需要先进行初始化。生成这4条指令的常见的java代码场景是:使用new关键字实例化对象,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),以及调用一个类的静态方法时。
  • 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时
  • 当初始化一个类时,其父类还没有进行初始化,则先初始化其父类
  • 当虚拟机启动时,用户需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
  • 当使用JDK1.7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的方法句柄时,并且这个方法句柄所对应的类没有进行初始化,则需要先触发其初始化。
    二. 类加载的过程
类加载的全过程:加载,验证,准备,解析,初始化
  1. 加载
    “加载”是“类加载”过程的一个阶段,读者不要混淆。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。
  1. 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安全。
    从整体上看,验证阶段大致上会完成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. 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。
    这个阶段有两个容易混淆的概念需要强调一下,首先,这时候在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,假设一个类变量的定义为:
public static int value=123;

那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123,因为这个时候尚未开始执行任何java方法,而把value赋值为123的putstatic指令时程序编译后,存放于类构造器clinit()方法中的,所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。

  1. 解析
    解析阶段是将虚拟机常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。
    主要包括:
类或接口的解析
字段解析
类方法解析
接口方法解析
  1. 初始化
初始化阶段是类加载过程的最后一步,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在定义类加载器参与外,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

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,则根据程序指定的主观计划去初始化类变量和其他资源,或者说:初始化阶段是执行类构造器clinit()方法的过程。

clinit()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并而成。注意:静态语句块中只能访问定义在静态语句块之前的变量,定义在它之后的变量,在前面的静态语句快中可以赋值,不能访问。
clinit()方法与类的构造函数不同,他不需要显示的调用父类的构造器,虚拟机会保证在子类执行clinit()方法之前,父类的该方法已经被执行,所以在虚拟机中第一个被执行的clinit()方法一定是java.lang.Object
但对于接口来说,执行接口的clinit()方法不需要先执行父接口的clinit()方法。

三. 类加载器

实现“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作的代码模块叫做“类加载器”。

对于任意一个类,都需要由加载他的类加载器和这个类本身一同确定其在java虚拟机中的唯一性,每一个类加载器都有一个独立的类名称空间。也就是说: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,否则,即使这两个类来自同一个class文件,被同一个虚拟机加载,只要加载他们的类加载器不同,这两个类必定不相等。
类加载器的双亲委派模型:
虚拟机类加载机制
其工作过程:某个特定的类加载器在接到加载类的请求时,首先将加载任务委托给父类加载器,依次递归,如果父类加载器可以完成类加载任务,就成功返回;只有父类加载器无法完成此加载任务时,才自己去加载。
使用双亲委派模型的好处在于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。例如类java.lang.Object,它存在在rt.jar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Bootstrap ClassLoader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。相反,如果没有双亲委派模型而是由各个类加载器自行加载的话,如果用户编写了一个java.lang.Object的同名类并放在ClassPath中,那系统中将会出现多个不同的Object类,程序将混乱。因此,如果开发者尝试编写一个与rt.jar类库中重名的Java类,可以正常编译,但是永远无法被加载运行。