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虚拟机类加载机制

 无聊书生
发布于 2015/08/13 00:09
字数 3144
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    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,着就是虚拟机的类加载机制。

类加载时机

类的生命周期

加载、验证、准备、初始化、卸载这5个人阶段是确定的,类的加载过程必须按照这种顺序按部就班的开始,而解析则不一定:它在某些情况下可以在初始化节点之后再开始,这是为类支持java语言的运行时绑定。对于初始化阶段,虚拟机规范严格规定类有且只有5中情况必须立即对类进行初始化。

  • 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码时,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条指令最常见的java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)、以及调用一个类的静态方法。

  • 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。

  • 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。

  • 当虚拟机启动时,用户需要指定一个要执行的主类,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.invokeMethodHandle实例的最后解析结果是REF_getstatic,REF_putstatic,REF_invokeStatic的方法句柄,并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。

上述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。被动引用的场景有:1通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化;2通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化;3常量在编译阶段会存入调用类的常量池中,本质上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。

类加载的过程

加载

在加载阶段,虚拟机需要完成以下3见事情

  • 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。

相对于类加载的其他阶段,一个非数组类的加载阶段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,也可以有用户自定的类加载器去完成。对于数组类而言,数组类本身不通过类的加载器创建,它是由Java虚拟机直接创建的。一个数组类的创建过程需要遵循以下规则:

  • 数组类的组件类型是引用类型,那就递归采用本节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。

  • 如果组件的组件类型不是引用类型,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

验证

验证的目的是为类确保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。验证阶段大致上回完成4个阶段的验证过程:文件格式验证、元数据验证、字节码验证、引用符号验证。

  • 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。

  • 元数据验证:对字节码描述的信息进行语义分析,以确保其描述的信息符合java语言规范的要求。

  • 字节码验证:通过数据流和控制流进行分析,确定程序语义是合法的、符合逻辑的。

  • 符号引用验证:发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候,目的是确保解析动作能正常执行。


准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置初始值的阶段,这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。需要注意两个概念:

  • 这个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

  • 这里所说初始值通常情况下是数据类型的零值。如int=0,boolean=false等。

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。符号引用与直接引用的关联如下:

  • 符号引用(Symbolic Reference):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的定位到目标即可。

  • 直接引用(Direct Reference):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。直接引用的目标必定在内存中存在。

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。

类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的“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要的类。实现这个动作的模块被称为"类加载器"。

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和这个类本身一同确立其在java虚拟机中的唯一性,每一个类加载器,都拥有一个独立的类名称空间。这句话说的更通俗一些:比较两个类是否“相等”,只有在这两个类由同一个类加载器加载的前提下才有意义,否则,即使这两个类来源于同一个class文件,同一个虚拟机加载,只要加载它们的类加载器不同,那这两个类就必定不同。

双亲委派模型

从java虚拟机的角度讲,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++实现,是虚拟机自身的一部分;另一种就是所有其它的类加载器,这些加载器都是有java语言实现,独立于虚拟机外部,并且全部都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。也可以细化为3种类加载器。

  • 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中的,或者被-Xbootclasspath参数所制定的路径中,并且是虚拟机识别的(仅按照文件名识别,如rt.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机中。启动类加载器无法被java程序直接引用,用户在编写自定义类加载器时,如果需要把加载请求委派给引导类加载器,那直接使用null替代即可。

  • 扩展类加载器(Extension ClassLoader):这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中,或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库,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):这个类加载器有sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader方法的返回值,所以一般也称为系统类加载器。它负责加载用户类路径(classpath)上所指定的类库,开发者可以直接使用这个类加载器,如果应用程序没有自定义过加载器,一般情况下这个就是默认的加载器。

上图加载器之间的这种层次关系称为双亲委派模型。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外,其余的加载器都应当有自己的父类加载器(组合关系)。

双亲委派模型的工作过程是:如果一个类加载器收到类类加载的请求,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把这个请求委派给父类加载器去完成,每一个层次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,只有当父加载器自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需要的类)时,子加载器才会尝试自己去加载。

破坏双亲委派模型

  • 第一次破坏出现在双亲委派模型之前(JDK1.2发布之前),面对已经存在的用户自定义加载器实现代码,为类向前兼容JDK1.2之后的java.lang.ClassLoader添加了一个新的protected方法findClass()。

  • 第二次是由这个模型自身的缺陷所导致的,双亲委派模型很好的解决了各个类加载器的基础类统一问题,但如果基础类又要调回用户的代码时,就有所不适应了。因此加入了一个线程上下文类加载器(Thread Context ClassLoader)。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader方法进行设置,如果创建线程时还未设置,它将会从父线程中继承一个,如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话,那这个加载器默认就是应用程序类的加载器。如JDBC,JNDI,JCE,JAXB和JBI都使用此种方式。

  • 第三次是由于用户对程序动态性(代码热替换、模块热部署)的追求而导致的。OSGi(java模块化标准)实现模块化热部署的关键则是它自定义的类加载器机制实现。每一个程序模块(OSGi中称为Bundle)都有一个自己的类加载器,当需要更换一个bundle时,就把bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。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按照下面的顺序进行搜索:

    • 将以java.*开头的类委派给父类加载器加载

    • 否则将委派列表名单内的类委派给父类加载器加载

    • 否则将import列表中的类委派给Export中的类委派给export这个类Bundle的类加载器加载

    • 否则查找当前Bundle的classPath,使用自己的加载器加载

    • 否则查找类是否在自己的Fragment Bundle中,如果在则委派给Fangment Bundle的类加载器加载

    • 否则查找Dynamic Import列表的Bundle,委派给对应的bundle的类加载器加载

    • 否则类查找失败。


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