Java虛擬機之類(lèi)加載

目錄

一、類(lèi)加載流程

類(lèi)加載的流程可以簡(jiǎn)單分為三步：

• 加載
• 連接
• 初始化

而其中的連接又可以細分為三步：

• 驗證
• 準備
• 解析

下面會(huì )分別對各個(gè)流程進(jìn)行介紹。

1.1 類(lèi)加載條件

在了解類(lèi)接在流程之前，先來(lái)看一下觸發(fā)類(lèi)加載的條件。

JVM不會(huì )無(wú)條件加載類(lèi)，只有在一個(gè)類(lèi)或接口在初次使用的時(shí)候，必須進(jìn)行初始化。這里的使用是指主動(dòng)使用，主動(dòng)使用包括如下情況：

• 創(chuàng )建一個(gè)類(lèi)的實(shí)例的時(shí)候：比如使用new創(chuàng )建，或者使用反射、克隆、反序列化
• 調用類(lèi)的靜態(tài)方法的時(shí)候：比如使用invokestatic指令
• 使用類(lèi)或接口的靜態(tài)字段：比如使用getstatic/putstatic指令
• 使用java.lang.reflect中的反射類(lèi)方法時(shí)
• 初始化子類(lèi)時(shí)，要求先初始化父類(lèi)
• 含有main()方法的類(lèi)

除了以上情況外，其他情況屬于被動(dòng)使用，不會(huì )引起類(lèi)的初始化。

比如下面的例子：

public class Main {
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(Child.v);
    }
}

class Parent{
    static{
        System.out.println("Parent init");
    }
    public static int v = 100;
}

class Child extends Parent{
    static {
        System.out.println("Child init");
    }
}

輸出如下：

Parent init
100

而加上類(lèi)加載參數-XX:+TraceClassLoading后，可以看到Child確實(shí)被加載了：

[0.068s][info   ][class,load] com.company.Main
[0.069s][info   ][class,load] com.company.Parent
[0.069s][info   ][class,load] com.company.Child
Parent init
100

但是并沒(méi)有進(jìn)行初始化。另外一個(gè)例子是關(guān)于final的，代碼如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(Test.STR);
    }
}

class Test{
    static{
        System.out.println("Test init");
    }
    public static final String STR = "Hello";
}

輸出如下：

[0.066s][info   ][class,load] com.company.Main
Hello

Test類(lèi)根本沒(méi)有被加載，因為final被做了優(yōu)化，編譯后的Main.class中，并沒(méi)有引用Test類(lèi)：

0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc           #4                  // String Hello
5: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

在字節碼偏移3的位置，通過(guò)ldc將常量池第4項入棧，此時(shí)在字節碼文件中常量池第4項為：

#3 = Class              #24            // com/company/Test
#4 = String             #25            // Hello
#5 = Methodref          #26.#27        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

因此并沒(méi)有對Test類(lèi)進(jìn)行加載，只是直接引用常量池中的常量，因此輸出沒(méi)有Test的加載日志。

1.2 加載

類(lèi)加載的時(shí)候，JVM必須完成以下操作：

• 通過(guò)類(lèi)的全名獲取二進(jìn)制數據流
• 解析類(lèi)的二進(jìn)制數據流為方法區內的數據結構
• 創(chuàng )建java.lang.Class類(lèi)的實(shí)例，表示該類(lèi)型

第一步獲取二進(jìn)制數據流，途徑有很多，包括：

• 字節碼文件
• JAR/ZIP壓縮包
• 從網(wǎng)絡(luò )加載

等等，獲取到二進(jìn)制數據流后，JVM進(jìn)行處理并轉化為一個(gè)java.lang.Class實(shí)例。

1.3 驗證

驗證的操作是確保加載的字節碼是合法、合理并且規范的。步驟簡(jiǎn)略如下：

• 格式檢查：判斷二進(jìn)制數據是否符合格式要求和規范，比如是否以魔數開(kāi)頭，主版本號和小版本號是否在當前JVM支持范圍內等等
• 語(yǔ)義檢查：比如是否所有類(lèi)都有父類(lèi)存在，一些被定義為final的方法或類(lèi)是否被重載了或者繼承了，是否存在不兼容方法等等
• 字節碼驗證：會(huì )試圖通過(guò)對字節碼流的分析，判斷字節碼是否可以正確被執行，比如是否會(huì )跳轉到一條不存在的指令，函數調用是否傳遞了正確的參數等等，但是卻無(wú)法100%判斷一段字節碼是否可以被安全執行，只是盡可能檢查出可以預知的明顯問(wèn)題。如果無(wú)法通過(guò)檢查，則不會(huì )加載這個(gè)類(lèi)，如果通過(guò)了檢查，也不能說(shuō)明這個(gè)類(lèi)完全沒(méi)有問(wèn)題
• 符號引用驗證：檢查類(lèi)或方法是否確實(shí)存在，并且確定當前類(lèi)有沒(méi)有權限訪(fǎng)問(wèn)這些數據，比如無(wú)法找到一個(gè)類(lèi)就拋出NoClassDefFoundError，無(wú)法找到方法就拋出NoSuchMethodError

1.4 準備

類(lèi)通過(guò)驗證后，就會(huì )進(jìn)入準備階段，在這個(gè)階段，JVM為會(huì )類(lèi)分配相應的內存空間，并設置初始值，比如：

• int初始化為0
• long初始化為0L
• double初始化為0f
• 引用初始化為null

如果存在常量字段，那么這個(gè)階段也會(huì )為常量賦值。

1.5 解析

解析就是將類(lèi)、接口、字段和方法的符號引用轉為直接引用。符號引用就是一些字面量引用，和JVM的內存數據結構和內存布局無(wú)關(guān)，由于在字節碼文件中，通過(guò)常量池進(jìn)行了大量的符號引用，這個(gè)階段就是將這些引用轉為直接引用，得到類(lèi)、字段、方法在內存中的指針或直接偏移量。

另外，由于字符串有著(zhù)很重要的作用，JVM對String進(jìn)行了特別的處理，直接使用字符串常量時(shí)，就會(huì )在類(lèi)中出現CONSTANT_String，并且會(huì )引用一個(gè)CONSTANT_UTF8常量項。JVM運行時(shí)，內部的常量池中會(huì )維護一張字符串拘留表（intern），會(huì )保存其中出現過(guò)的所有字符串常量，并且沒(méi)有重復項。使用String.intern()可以獲得一個(gè)字符串在拘留表的引用，比如下面代碼：

public static void main(String[] args){
    String a = 1 + String.valueOf(2) + 3;
    String b = "123";
    System.out.println(a.equals(b));
    System.out.println(a == b);
    System.out.println(a.intern() == b);
}

輸出：

true
false
true

這里b就是常量本身，因此a.intern()返回在拘留表的引用后就是b本身，比較結果為真。

1.6 初始化

初始化階段會(huì )執行類(lèi)的初始化方法<clint>，<clint>是由編譯期生成的，由靜態(tài)成員的賦值語(yǔ)句以及static語(yǔ)句共同產(chǎn)生。

另外，加載一個(gè)類(lèi)的時(shí)候，JVM總是會(huì )試圖加載該類(lèi)的父類(lèi)，因此父類(lèi)的<clint>方法總是在子類(lèi)的<clint>方法之前被調用。另一方面，需要注意的是<clint>會(huì )確保在多線(xiàn)程環(huán)境下的安全性，也就是多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)初始化同一個(gè)類(lèi)時(shí)，只有一個(gè)線(xiàn)程可以進(jìn)入<clint>方法，換句話(huà)說(shuō)，在多線(xiàn)程下可能會(huì )出現死鎖，比如下面代碼：

package com.company;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Main extends Thread{
    private char flag;
    public Main(char flag){
        this.flag = flag;
    }
    
    public static void main(String[] args){
        Main a = new Main('A');
        a.start();
        Main b = new Main('B');
        b.start();
    }

    @Override
    public void run() {
        try{
            Class.forName("com.company.Static"+flag);
        }catch (ClassNotFoundException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class StaticA{
    static {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        try{
            Class.forName("com.company.StaticB");
        }catch (ClassNotFoundException e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("StaticA init ok");
    }
}

class StaticB{
    static {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
        try{
            Class.forName("com.company.StaticA");
        }catch (ClassNotFoundException e){
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("StaticB init ok");
    }
}

在加載StaticA的時(shí)候嘗試加載StaticB，但是由于StaticB已經(jīng)被加載中，因此加載StaticA的線(xiàn)程會(huì )阻塞在Class.forName("com.company.StaticB")處，同理加載StaticB的線(xiàn)程會(huì )阻塞在Class.forName("com.company.StaticA")處，這樣就出現死鎖了。

二、ClassLoader

2.1 ClassLoader簡(jiǎn)介

ClassLoader是類(lèi)加載的核心組件，所有的Class都是由ClassLoader加載的，ClassLoader通過(guò)各種各樣的方式將Class信息的二進(jìn)制數據流讀入系統，然后交給JVM進(jìn)行連接、初始化等操作。因此ClassLoader負責類(lèi)的加載流程，無(wú)法通過(guò)ClassLoader改變類(lèi)的連接和初始化行為。

ClassLoader是一個(gè)抽象類(lèi)，提供了一些重要接口定義加載流程和加載方式，主要方法如下：

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException：給定一個(gè)類(lèi)名，加載一個(gè)類(lèi)，返回這個(gè)類(lèi)的Class實(shí)例，找不到拋出異常

protected final Class<?> defineClass(byte[] b, int off, int len)：根據給定字節流定義一個(gè)類(lèi)，off和len表示在字節數組中的偏移和長(cháng)度，這是一個(gè)protected方法，在自定義子類(lèi)中才能使用

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException：查找一個(gè)類(lèi)，會(huì )在loadClass中被調用，用于自定義查找類(lèi)的邏輯

protected Class<?> findLoadedClass(String name)：尋找一個(gè)已經(jīng)加載的類(lèi)

2.2 類(lèi)加載器分類(lèi)

在標準的Java程序中，JVM會(huì )創(chuàng )建3類(lèi)加載器為整個(gè)應用程序服務(wù)，分別是：

• 啟動(dòng)類(lèi)加載器：Bootstrap ClassLoader
• 擴展類(lèi)加載器：Extension ClassLoader
• 應用類(lèi)加載器（也叫系統類(lèi)加載器）：App ClassLoader

另外，在程序中還可以定義自己的類(lèi)加載器，從總體看，層次結構如下：

一般來(lái)說(shuō)各個(gè)加載器負責的范圍如下：

• 啟動(dòng)類(lèi)加載器：負責加載系統的核心類(lèi)，比如rt.jar包中的類(lèi)
• 擴展類(lèi)加載器：負責加載lib/ext/*.jar下的類(lèi)
• 應用類(lèi)加載器：負責加載用戶(hù)程序的類(lèi)
• 自定義加載器：加載一些特殊途徑的類(lèi)，一般是用戶(hù)程序的類(lèi)

2.3 雙親委派

默認情況下，類(lèi)加載使用雙親委派加載的模式，具體來(lái)說(shuō)，就是類(lèi)在加載的時(shí)候，會(huì )判斷當前類(lèi)是否已經(jīng)被加載，如果已經(jīng)被加載，那么直接返回已加載的類(lèi)，如果沒(méi)有，會(huì )先請求雙親加載，雙親也是按照一樣的流程先判斷是否已加載，如果沒(méi)有在此委托雙親加載，如果雙親加載失敗，則會(huì )自己加載。

在上圖中，應用類(lèi)加載器的雙親為擴展類(lèi)加載器，擴展類(lèi)加載器的雙親為啟動(dòng)類(lèi)加載器，當系統需要加載一個(gè)類(lèi)的時(shí)候，會(huì )先從底層類(lèi)加載器開(kāi)始進(jìn)行判斷，當需要加載的時(shí)候會(huì )從頂層開(kāi)始加載，依次向下嘗試直到加載成功。

在所有加載器中，啟動(dòng)類(lèi)加載器是最特別的，并不是使用Java語(yǔ)言實(shí)現，在Java中沒(méi)有對象與之相對應，系統核心類(lèi)就是由啟動(dòng)類(lèi)加載器進(jìn)行加載的。換句話(huà)說(shuō)，如果嘗試在程序中獲取啟動(dòng)類(lèi)加載器，得到的值是null：

System.out.println(String.class.getClassLoader() == null);

輸出結果為真。

到此這篇關(guān)于Java虛擬機之類(lèi)加載的文章就介紹到這了,更多相關(guān)JVM類(lèi)加載內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！