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第7章: 虚拟机类加载机制

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概述

上一章了解了Class文件存储格式，在Class文件中描述的各种信息，最终都需要加载到虚拟机中之后才能运行和使用，那么，虚拟机如何加载这些文件？

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。在Java语言中，类型的加载、连接和初始化都是在程序运行期间完成的，这令类加载时稍微增加一些性能开销，但是会为Java应用程序提供高度的灵活性。

例如，可以等到运行时再指定其实际的实现类：用户可以通过Java预定义和自定义的类加载器，让一个本地的应用程序可以在运行时从网络或者其他地方加载一个二进制流作为程序代码的一部分。

类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，整个生命周期如下图所示：

类的生命周期

总共有7个阶段，其中验证、准备、解析 这3个部分统称为连接(Linking)，并且加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载按照上述顺序按部就班地开始（不是“进行”，也不是“完成”，只是按部就班地“开始”，因为这些阶段通常都是相互交叉地混合式进行）。

虚拟机规范中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、准备自然需要在此之前开始）：

  1. 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。

这4条指令的最常见的Java代码中的场景是：使用new关键字实例化对象、读取或者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）、以及调用一个类的静态方法。

  1. 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，则先触发其初始化。
  2. 当初始化一个类，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初始化。
  3. 虚拟机启动时，虚拟机会先初始化用户指定的主类（包含main()方法的那个类）
  4. 当使用JDK 1.7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，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

以上5种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。以下举3个例子来说明何为被动引用。

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//被动使用类字段演示一：
//通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化

public class SuperClass{
    static{
        Systemt.out.printlin("SuperClass init!");
    }
    
    public static int value = 123;
}

public class SubClass extends SuperClass{
    static{
        Systemt.out.printlin("SubClass init!");
    }
}

//非主动使用类字段演示
public class NotInitialization{
    public static void main(String[] args){
        System.out.printlin(Subclass.value);
    }
}

上述代码运行后，只会输出 “SuperClass init!” ，对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。

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//被动使用类字段演示二：
//通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化

public class NotInitialization{
    public static void main(String[] args){
        SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
    }
}

这里复用了上面的 SuperClass ，运行之后，发现没有输出 “SuperClass init!” ，说明没有触发 SuperClass 的初始化阶段。

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//被动使用类字段演示二：
//常量在便一阶段会存入调用类的常量池中，本质上并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

public class ConstClass{
    static{
        Systemt.out.printlin("ConstClass init!");
    }
    
    public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}

public class NotInitialization{
    public static void main(String[] args){
        Systemt.out.printlin(ConstClass. HELLOWORLD);
    }
}

上述代码运行之后，也没有输出 “ConstClass init!” ，虽然在 Java 源码中引用了 ConstClass 中的常量 HELLOWORLD ，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量值 “hello world” 存储到了 NotInitialization 类的常量池中，以后 NotInitialization 对常量 ConstClass. HELLOWORLD 的引用时机都被转化为 NotInitialization 对自身常量池的引用了。也就是说，实际上 NotInitialization 的 Class 文件之中并没有 ConstClass 类的符号引用入口，这两个类在编译成 Class 之后就不存在任何联系了。

接口的加载过程与类加载过程稍有一些不同，接口与类真正有所区别的是前面讲述的5种“有且仅有”需要开始初始化场景中的第3种：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

顺带说明一下，上面的代码都是用静态语句块 “static{}”来输出初始化信息的，但接口中不能使用 “static{}”语句块。

类加载过程

加载

“加载”是“类加载(Class Loading)”过程的一部分，不要混淆。在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：

  1. 通过类的全限定名获取类的二进制字节流
  2. 将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
  3. 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。

这3点规范并不算具体，例如第一条，并没有指明要从哪里获取，怎么获取，因此充满创造力的开发人员玩出了各种花样：

  • 从 zip 包中读取，最终成为日后 jar、ear、war 格式的基础
  • 从网络中获取，比如Applet
  • 运行时计算生成，这种场景用得最多的就是动态代理技术。

验证

验证是连接阶段的第一步，这个阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击。从整体来看，验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检验动作：

文件格式验证

魔数0xCAFEBABE开头、主次版本是否在虚拟机处理范围内等。

元数据验证

是否有父类-除Object外，所有类都有父类、父类是否继承了不允许被继承的类-final修饰，是否实现了父类或者接口要求实现的所有方法。

字节码验证

通过数据流和控制流分析，确定程序语义是否合法、符合逻辑的。如果一个类方法体的字节码没有通过字节码验证，那肯定是有问题的；如果一个方法体通过了字节码验证，也不能说明其一定就是安全的。

符号引用验证

这个校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在解析阶段发生。通常校验：通过全限定名是否能找到对应的类、符号引用中的类、字段、方法的访问性(private、protected、public、default)是否可以被当前类访问 等等。

准备

准备阶段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。

这里两个容易产生的混淆的概念强调一下：首先，这时候进行内存分配的仅仅包括类变量（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一起分配在java堆中。其次，这里说的初始值“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。把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。

解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换成直接引用的过程。

符号引用(Symbolic References)：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(Symbolic References)：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。

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，则根据程序员通过程序自定的主观计划去初始化类变量和其他资源。换一个角度来表达就是：初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。以下介绍下()方法执行过程中一些可能会影响程序运行行为的特点和细节：

  • ()方法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赋值，但不能访问。一个例子说明：
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public class Test{

    static int i =1;
    
    static{
        Systemt.out.print(i);//正常使用
        
        j = 0;//给变量赋值可以正常编译
        Systemt.out.print(j);//这句提示“非法向前引用”
    }
    
    static int j =1;
}
  • ()方法与类的构造函数（实例构造器()）不同,它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的 () 执行之前，父类的()已经执行完毕。因此，在虚拟机中第一个被执行()方法的类肯定是 java.lang.Object。这其实也意味着，父类定义的静态语句块要优先于子类变量赋值操作。一个例子说明：
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static class Parent{
    public static A = 1;
    
    static{
        A = 2;
    }
}

static class Sub extentds Parent{
    public static int B = A;
}

public static void main(String args[]){
    Systemt.out.println(Sub.B)
}

以上代码将打印出 2 而不是 1。

  • ()方法对于类或者接口不是必需的，如果类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值，那么编译器可以不为这个类生成()方法。

  • 接口中不能使用静态语句块，但是可以有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成 ()方法 。但接口的 ()方法 无须先执行父接口的()方法，只有父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化（接口的实现类在初始化时也不会执行接口的()方法）。

  • 虚拟机会保证一个类的 ()方法 在多线程环境中会被正确地加锁、同步，所以，多线程同时去初始化一个类，那么只会有一个县城执行这个类的<clinit>()方法，其他的线程都会阻塞等待。举个例子：

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static class DeadLoopClass{
    static{
        //如果不加上这个if语句，编译器将报错，并拒绝编译
        if(true){
            System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
            
            while(true){
            }
        }
    }
    
    
    public static void main(String[] args){
        Runnable script = new Runnable(){
            public void run(){
                Systemt.out.println(Thread.currentThread() + "start");
                DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();
                Systemt.out.println(Thread.currentThread() + "run over");
            }
           
        };
        
        Thread thread1 = new Thread(script);
        Thread thread2 = new Thread(script);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

上述代码在死循环以模拟长时间操作，另外一条线程在阻塞等待，将打印以下结果：

Thread[Thread-0,5,main]start
Thread[Thread-1,5,main]start
Thread[Thread-0,5,main]init DeadLoopClass

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。

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。通俗地说，比较两个类是否“相等”，只有在这两个类都是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，都被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

这里的“相等”，包括代表类的Class对象的 equals() 、isAssignableFrom()、isInstance() 方法返回的结果，也包括使用 instanceof 关键字做对象所属关系判定等情况。以下代码演示了不同类加载器对instanceof关键字运算的结果的影响：

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public class ClassLoaderTest{
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        ClassLoader myLoader = new ClassLoader(){
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException{
                try{
                    String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1);
                    InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                    if(is == null){
                        return super.loadClass(name);
                    }
                    byte[] b = new byte[is.available()];
                    is.read(b);
                    return defineClass(name,b,0,b.length);
                }catch(){
                    throw new ClassNotFoundException();
                }
            }
        }
        
        Object obj = myLoader.loadClass("org.example.classloading. ClassLoaderTest");
        
        Systemt.out.println(obj.getClass());
        System.out.println(obj instanceof org.example.classloading. ClassLoaderTest);
    }
}

返回结果：

class org.example.classloading. ClassLoaderTest
false

从结果可以看出，对象确实是类 “org.example.classloading. ClassLoaderTest” 的类，并实例化了这个类的对象。但这个对象与类 org.example.classloading. ClassLoaderTest 做所属类型检查的时候却返回了false，这是因为虚拟机中存在了两个 ClassLoaderTest 类，一个由系统应用程序类加载器加载的，另外一个是由我们自定义的类加载器加载的，虽然都来自同一个Class文件，但依然是两个独立的类。

双亲委派模型

从java虚拟机角度来讲，只存在两种类加载器：一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)，是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。

如下图所示的类加载器之间的这种层次关系，称为双亲委派模型(Parent Delegation Model)。

类的生命周期

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，这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现，而是都使用组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。

双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委派给父类加载器去完成，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。

双亲委派模型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 ，无论哪一个类加载器都要加载这个类（因为所有的类都直接或间接地继承了它），最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此，Object 类在程序中的各种类加载器环境中都是同一个类。相反，如果不使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个称为 java.lang.Object 的类，并放在 ClassPath 中，那系统中将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法保证。

破坏双亲委派模型

略

谢谢你的鼓励