@boothsun 2022-11-09T22:35:55.000000Z 字数 8901 阅读 1152

虚拟机加载机制

JVM

《深入理解Java虚拟机》

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

类加载时机

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、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载七个阶段。其中验证、准备和解析三个部分统称为连接。具体，如下图：

image_1c8cvvrh71gt1656grf1h0v1keu9.png-109.5kB

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类加载过程必须按照这种顺序进行。解析则不一定，这是为了支持Java语言的运行时绑定。

对于初始化阶段、虚拟机规范则是严格规定了有且只有四种情况必须立即对类进行“初始化”。（主动引用）

遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic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、已在编译器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。
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（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。

被动引用：

通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化（对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化）。、
通过数组定义类应用类：ClassA [] array=new ClassA[10]。触发了一个名为[LClassA的类的初始化，它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承于Object的类，创建动作由字节码指令newarray触发。这个过程ClassA并没有被初始化。
常量会在编译阶段存入调用类的常量池中，也不会引起常量定义类的初始化。
编译器会为接口生成()构造器，用于初始化接口中定义的成员变量。一个接口在初始化时，并不要求其父类接口全部完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候才会初始化。

类加载过程

加载

在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

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换为方法区的运行时数据结构。
在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口。

加载阶段完成后，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，方法区中的数据存储格式有虚拟机自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在Java堆中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。

验证

验证是虚拟机对自身保护的一项重要工作，这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。

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：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，这个阶段可能包括的验证点如下：
- 这个类是否有父类（除了Object之外，所有的类都应当有父类）
- 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之外要求实现的所有方法。
字节码验证：主要工作是进行数据流和控制流分析，以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行为。
符号引用校验：符号引用验证可以看做是对类自身以外的（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性的校验。通常校验以下内容：
- 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及简单名称所描述的方法和字段。
- 符号引用中的类、字段和方法的访问性（private、public等）是否可被当前类访问。

准备阶段

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区中进行分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下：首先是这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。其次是这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，也就是默认值，假设一个类变量的定义为：

 public static int value = 123 ;

那么变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会被执行。比如我们可以对下面这段代码使用javap -c 查看字节码内容：

// 原文件
public class HelloTest {
    static int  s = 1 ;
    public static void main(String[] args) {
    }
}
// 字节码内容
public class HelloTest {
  static int s;
  public HelloTest();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return
  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: return
  static {};
    Code:
       0: iconst_1
       1: putstatic     #2                  // Field s:I     重点关注这里
       4: return
}

从上面的字节码，我们知道对静态变量的赋值是在静态代码块中进行的。而静态代码块是在初始化阶段进行初始化的。

上面提到，在“通常情况”下初始值是零值，那相对的会有一些“特殊情况”：如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性值，那在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，假设上面类变量value的定义变为：

public static final int value = 123 ;

编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

解析

常量池之中主要存放两大类常量：字面量和符号引用。字面量接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等。符号引用则属于编译原理方面的概念，包括了以下三类常量：

类和接口的全限定名
字段的名称和描述符
方法的名称和描述符

Java是在虚拟机加载Class文件的时候进行动态连接的，也就是说，在Class文件中不会保存各个方法和字段的最终内存布局信息，因此这些字段和方法的符号引用不经过转换的话是无法直接被虚拟机使用的。

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，符号引用在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTAT_Methodref_info等类型的常量出现，那解析阶段中所说的直接引用和符号引用又有什么关联呢？

符号引用：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。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定已经加载到内存中。
直接引用：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。虚拟机会对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标识为已解析状态），从而避免重复进行解析。

解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号引用进行，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info及CONSTANT_InterfaceMethodRef_info四种常量类型。

类或接口的解析：

假设当前代码所处的类为D，如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用，那虚拟机完成整个解析的过程需要以下3个步骤：
- 如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就宣告失败。
- 如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类似“[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。
- 如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。如果发现不具备访问权限，将拋出java.lang.IllegalAccessError异常。
字段解析

要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。如果在解析这个类或接口符号引用的过程中出现了任何异常，都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功完成，那将这个字段所属的类或接口用C表示，虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索。
- 如果C本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
- 否则，如果在C中实现了接口,将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
- 否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
如果查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，将拋出java.lang.IllegalAccessError异常。
类方法解析

类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也需要先解析出类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，我们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的类方法搜索。
- 类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class_index中索引的C是个接口，那就直接拋出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
- 如果通过了第1步，在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
- 否则，在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
- 否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，这时查找结束，拋出Java.lang.AbstractMethodError异常。
- 否则，宣告方法查找失败，拋出java.lang.NoSuchMethodError。
接口解析

接口方法也需要先解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，依然用C表示这个接口，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索。
- 与类方法解析不同，如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口，那就直接拋出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
- 否则，在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
- 否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类(查找范围会包括Object类 )为止，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
- 否则，宣告方法查找失败，拋出java.lang.NoSuchMethodError异常。
由于接口中的所有方法默认都是public的，所以不存在访问权限的问题，因此接口方法的符号解析应当不会拋出java.langIllegalAccessError异常。

初始化

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)。在初始化阶段，会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，或者可以从另外一个角度来表达：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（static()块）中的语句合并产生的。编译器收集的顺序是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，在前面的静态语句块可以賦值，但是不能访问。

public class Test {
    static {
        i = 0;  //  给变量复制可以正常编译通过
        System.out.print(i);  // 这句编译器会提示“非法向前引用”  
    }
    static int i = 1;
}

虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()方法已经被自动执行完毕。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。由于父类的<clinit>()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。这也就意味着字段B的值将会是2而不是1：

static class Parent {
        public static int A = 1;
        static {
            A = 2;
        }
}
static class Sub extends Parent {
        public static int B = A;
}
public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Sub.B);
}

<clinit>()方法对于类或者接口来说并不是必须的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以部位这个类生成<clinit>()方法。
接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成<clinit>()方法。但接口与类不同的是，执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>() 方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>()方法。
虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>() 方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

static {
    // 如果不加上这个if语句，编译器将提示“Initializer does not complete normally”并拒绝编译
    if (true) {
        System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
        while (true) {
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
}

类加载器

类加载器的作用就是通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流。

在Java中，对于任意一个类，都需要有加载它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。这句话可以表达得更通俗一些：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之下才有意义，否则，即使这两个类是来源于同一个Class文件，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

这里所指的”相等“，包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括使用了instanceof关键字做对象所属关系判断等情况。

双亲委派模型

Java中的类加载器大致可以分为如下三种：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：启动类加载器，也叫根类加载器，它负责加载Java的核心类库，加载如(%JAVA_HOME%/lib)目录下的rt.jar（包含System、String这样的核心类）这样的核心类库。根类加载器非常特殊，它不是java.lang.ClassLoader的子类，它是JVM自身内部由C/C++实现的，并不是Java实现的。
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：它负责加载扩展目录（%JAVA_HOME%/jre/lib/ext）下的jar包，用户可以把自己开发的类打包成jar包放在这个目录下即可扩展核心类以外的新功能。
应用程序类加载器（Application ClassLoader）：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，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

我们的应用程序都是由这三种类加载器相互配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自己定义的类加载器，这些类加载器之间的相互关系如下图：

image_1c8fk79bfts51npb3e97u4gg39.png-90.2kB

各种类加载器间关系：以组合关系复用父类加载器的父子关系，注意，这里的父子关系并不以继承关系实现的。

双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。

双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到类加载的请求，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，只有当父加载器反馈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的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

优点：使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是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，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给启动类加载器进行加载因此Object类在程序的各个类加载环境中都是同一个类。相反，如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己写了一个名为java.lang.Object的类，并放在程序的ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无从保证。

双亲委派模型的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中，逻辑清晰易懂：先检查是否已被加载过，若没有被加载则调用父加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载失败，则在抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClas()方法进行加载。

 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) { //使用父加载器进行加载
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else { //使用启动类加载器
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                }
                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);
                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }