JVM原理及调优（4）——类加载机制

川长思鸟来 2022-07-14 00:45 148阅读 0赞

系列文章规划：

1.  [JVM原理及调优（1）——内存模型][JVM_1]
2.  [JVM原理及调优（2）——内存管理][JVM_2]
3.  [JVM原理及调优（3）——编译机制][JVM_3]
4.  [JVM原理及调优（4）——类加载机制][JVM_4]
5.  [JVM原理及调优（5）——垃圾回收和调优][JVM_5]
6.  [JVM原理及调优（6）——G1收集器及G1日志分析][JVM_6_G1_G1]
7.  [JVM原理及调优（7）——JDK常用内置工具][JVM_7_JDK]

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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、使用和卸载七个阶段。

类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中，加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的，而解析阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持 Java 语言的运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

> Java 中的绑定指的是把一个方法的调用与方法所在的类(方法主体)关联起来，对 Java 来说，绑定分为静态绑定和动态绑定：  
> \* 静态绑定：即前期绑定。在程序执行前方法已经被绑定，此时由编译器或其它连接程序实现。针对 Java，简单的可以理解为程序编译期的绑定。Java 当中的方法只有 final，static，private 和构造方法是前期绑定的。  
> \* 动态绑定：即晚期绑定，也叫运行时绑定。在运行时根据具体对象的类型进行绑定。在 Java 中，几乎所有的方法都是后期绑定的。

# 1. 加载 #

加载是使用**类加载器**将JVM外部的二进制字节码读取到JVM内部，并按照JVM所需的格式存储到方法区中，同时在堆中创建一个java.lang.Class对象，以便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

从JVM角度看，只存在两种类加载器：

*  启动类加载器：它使用 C++ 实现（这里仅限于 Hotspot，也就是 JDK1.5 之后默认的虚拟机，有很多其他的虚拟机是用 Java 语言实现的），是虚拟机自身的一部分。
 *  所有其他的类加载器：这些类加载器都由 Java 语言实现，独立于虚拟机之外，并且全部继承自抽象类 java.lang.ClassLoader，这些类加载器需要由启动类加载器加载到内存中之后才能去加载其他的类。

但从Java开发人员看，类加载器可大致分为3类：

*  Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）。跟上面相同，负责加载存放在$JDK\_HOME\\jre\\lib下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如 rt.jar，所有的java.\*开头的类均被 Bootstrap ClassLoader 加载）。启动类加载器是无法被 Java 程序直接引用的。
 *  Extension ClassLoader（扩展类加载器）。该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载$JDK\_HOME\\jre\\lib\\ext目录中，或者由 java.ext.dirs 系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.\*开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
 *  Application ClassLoader（应用程序类加载器）。该类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，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。

应用程序都是由这三种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，我们还可以加入自定义的类加载器。因为 JVM 自带的 ClassLoader 只是懂得从本地文件系统加载标准的 java class 文件，因此如果编写了自己的 ClassLoader，便可以做到如下几点：

*  在执行非置信代码之前，自动验证数字签名。
 *  动态地创建符合用户特定需要的定制化构建类。
 *  从特定的场所取得 java class，例如数据库中和网络中。

> 对于任意一个类，都需要由它的类加载器和这个类本身一同确定其在就 Java 虚拟机中的唯一性，也就是说，即使两个类来源于同一个 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。这里的“相等”包括了代表类的 Class 对象的 equals（）、isAssignableFrom（）、isInstance（）等方法的返回结果，也包括了使用 instanceof 关键字对对象所属关系的判定结果。

类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述：

![这里写图片描述][20161121205835976]

这种层次关系称为类加载器的双亲委派模型。我们把每一层上面的类加载器叫做当前层类加载器的父加载器，当然，它们之间的父子关系并不是通过继承关系来实现的，而是使用组合关系来复用父加载器中的代码。

双亲委派模型的工作流程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上，因此，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时，即无法完成该加载，子加载器才会尝试自己去加载该类。

# 2. 验证 #

验证的目的是为了确保 Class 文件中的字节流包含的信息符合当前虚拟机的要求，而且不会危害虚拟机自身的安全。不同的虚拟机对类验证的实现可能会有所不同，但大致都会完成以下四个阶段的验证：

*  文件格式的验证：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，该验证的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内。经过该阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，后面的三个验证都是基于方法区的存储结构进行的。
 *  元数据验证：对类的元数据信息进行语义校验（其实就是对类中的各数据类型进行语法校验），保证不存在不符合 Java 语法规范的元数据信息。
 *  字节码验证：该阶段验证的主要工作是进行数据流和控制流分析，对类的方法体进行校验分析，以保证被校验的类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。
 *  符号引用验证：这是最后一个阶段的验证，它发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候（解析阶段中发生该转化，后面会有讲解），主要是对类自身以外的信息（常量池中的各种符号引用）进行匹配性的校验。

# 3. 准备 #

准备阶段是正式为类变量（仅static类型）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分配。对于该阶段有以下几点需要注意：

*  仅为static类变量分配内存，不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在堆中。
 *  通常情况下，设置的初始值是数据类型默认的零值（如 0、0L、null、false 等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

![这里写图片描述][20161121205856445]

需要注意如下几点：

*  对基本数据类型来说，对于类变量（static）和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。
 *  对于同时被 static 和 final 修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；
 *  对于同时被 static 和 final 修饰的常量（ConstantValue 属性），在准备阶段变量 value 就会被初始化为 ConstValue 属性所指定的值。
 *  只被 final 修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。
 *  对于引用数据类型 reference 来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即null。
 *  如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。
 *  如果类字段的字段属性表中存在 ConstantValue 属性，即同时被 final 和 static 修饰，那么在准备阶段变量 value 就会被初始化为 ConstValue 属性所指定的值。

# 4. 解析 #

解析阶段是虚拟机将常量池中的符号引用转化为直接引用的过程。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，分别对应于常量池中的 CONSTANT\_Class\_info、CONSTANT\_Fieldref\_info、CONSTANT\_Methodref\_info、CONSTANT\_InterfaceMethodref\_info 四种常量类型。

*  类或接口的解析：判断所要转化成的直接引用是对数组类型，还是普通的对象类型的引用，从而进行不同的解析。
 *  字段解析：对字段进行解析时，会先在本类中查找是否包含有简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，如果有，则查找结束；如果没有，则会按照继承关系从上往下递归搜索该类所实现的各个接口和它们的父接口，还没有，则按照继承关系从上往下递归搜索其父类，直至查找结束。
 *  类方法解析：对类方法的解析与对字段解析的搜索步骤差不多，只是多了判断该方法所处的是类还是接口的步骤，而且对类方法的匹配搜索，是先搜索父类，再搜索接口。
 *  接口方法解析：与类方法解析步骤类似，只是接口不会有父类，因此，只递归向上搜索父接口就行了。

# 5. 初始化 #

类初始化是类加载过程的最后一个阶段，到初始化阶段，才真正开始执行类中的 Java 程序代码。在准备阶段，类变量已经被赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则是根据程序员通过程序指定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者可以从另一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。

简单说明下()方法的执行规则:

1.  ()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，在前面的静态语句中可以赋值，但是不能访问。
2.  ()方法与实例构造器()方法（类的构造函数）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()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕。因此，在虚拟机中第一个被执行的()方法的类肯定是java.lang.Object。
3.  ()方法对于类或接口来说并不是必须的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成()方法。
4.  接口中不能使用静态语句块，但仍然有类变量（final static）初始化的赋值操作，因此接口与类一样会生成()方法。但是接口和类不同的是：执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法，只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。
5.  虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁和同步，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()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行()方法完毕。如果在一个类的()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

虚拟机规范严格规定了有且只有四种情况必须立即对类进行初始化：

*  遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 这四条字节码指令时，如果类还没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这四条指令最常见的 Java 代码场景是：使用 new 关键字实例化对象时、读取或设置一个类的静态字段（static）时（被 static 修饰又被 final 修饰的，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.refect 包的方法对类进行反射调用时，如果类还没有进行过初始化，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，虚拟机会先执行该主类。

虚拟机规定只有这四种情况才会触发类的初始化，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其初始化，称为被动引用。

对于静态字段（static），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。

常量（static final）在编译阶段会存入调用它的类的常量池中，本质上没有直接引用到定义该常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。

# 参考文献 #

1.  [类加载机制][Link 1]
2.  [类初始化][Link 2]

[JVM_1]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/53264262
[JVM_2]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/53264268
[JVM_3]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/53264282
[JVM_4]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/53264298
[JVM_5]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/52858283
[JVM_6_G1_G1]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/53170138
[JVM_7_JDK]: http://blog.csdn.net/weitry/article/details/53284586
[20161121205835976]: /images/20220714/d89db50e47324d5c985720b427f0dac4.png
[20161121205856445]: /images/20220714/1d1b34df2b2b47b08e4131acbd7e45b7.png
[Link 1]: http://wiki.jikexueyuan.com/project/java-vm/class-loading-mechanism.html
[Link 2]: http://wiki.jikexueyuan.com/project/java-vm/class-initialization.html