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JAVA类加载机制

JAVA类加载机制

1、类的生命周期

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(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)7个阶段。其中准备、验证、解析3个部分统称为连接(Linking)。如图所示:

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的,类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始,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再开始,这是为了支持Java语言的运行时绑定(也称为动态绑定或晚期绑定)。

加载:

在加载阶段(可以参考java.lang.ClassLoader的loadClass()方法),虚拟机需要完成以下3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(并没有指明要从一个Class文件中获取,可以从其他渠道,譬如:zip包、网络、动态生成、数据库等)(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;(将类信息写入到方法区中)
  • 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;(在内存中生成一个代表此类的Class对象)。

加载阶段和连接阶段(Linking)的部分内容(如一部分字节码文件格式验证动作)是交叉进行的,加载阶段尚未完成,连接阶段可能已经开始,但这些夹在加载阶段之中进行的动作,仍然属于连接阶段的内容,这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

验证:

验证是连接阶段的第一步,这一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。

验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作:

  • 文件格式验证:验证字节流是否符合Class文件格式的规范;例如:是否以魔术0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。

  • 元数据验证:对字节码描述的信息进行语义分析(注意:对比javac编译阶段的语义分析),以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求;例如:这个类是否有父类,除了java.lang.Object之外,这个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中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,确定程序语义是合法的、符合逻辑的。比如保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令中。保证方法体中的类型转换是有效的(子类数据类型可以赋值给父类,但是父类数据类型不能赋值给子类)

  • 符号引用验证:确保解析动作能正确执行。

准备:

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,这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。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堆中。其次,这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值,假设一个类变量的定义为:

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.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执行。

至于“特殊情况”是指:public static final int value=123,即当类字段的字段属性是ConstantValue时,会在准备阶段初始化为指定的值,所以标注为final之后,value的值在准备阶段初始化为123而非0.

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。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。

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。

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直接定位到目标的句柄。

初始化:

? 类初始化阶段是类加载过程的最后一步,到了初始化阶段,才真正开始执行类中定义的java程序代码。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,则根据程序猿通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源,或者说:初始化阶段是执行类构造器()方法的过程.

? ()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{}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,但是不能访问。

? 虚拟机规范严格规定了有且只有5中情况(jdk1.7)必须对类进行“初始化”(而加载、验证、准备自然需要在此之前开始):

  • 遇到new, getstatic, putstatic, invokestatic这失调字节码指令时,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。
  • 当使用jdk1.7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初始化,则需要先出触发其初始化。

以下三种情况不会导致类的初始化:

  • 通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化。
  • 通过数组定义来应用类,不会触发此类的初始化。
  • 常量在编译阶段会存入调用类的的常量池中,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类的初始化。

静态语句块只能访问到定义在静态语句之前的变量,定义在它之后的变量,在前面的静态语句块可以赋值,但是不能访问

public class Test{
    static {
        i = 0; //赋值没有问题
        System.out.print(i); //这句编译器提示错误 “非法向前引用”
    }
    static int i = 1;
}

2、类加载器

双亲委派模型

从Java虚拟机角度来讲,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),由C++语言实现,是虚拟机自身的一部分;另一种是所有其他的类加载器,由Java语言实现,独立于虚拟机外部,全部继承抽象类java.lang.ClassLoader

从开发人员角度来看,类加载器大致分以下三种:

  • 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):负责将存放在\lib目录中的,或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的,并且是虚拟机识别的类库加载到虚拟机中。如,rt.jar。名字不符合即使放在目录中也不被加载。如果需要把加载请求委派给引导类加载器,直接使用null代替即可。

  • 扩展类加载器(Extension ClassLoader):由sum.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,负责加载<Java_Home>\lib\ext目录中的,或者被java.ext.dir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):由sun.misc.Launcher$App-ClassLoader实现。是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值,所以也称为系统类加载器。负责加载用户路径(ClassPath)上所指定的类库,如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器,这个就是默认的加载器,开发人员可以直接使用这个类加载器。


上图即为双亲委派模型(Parents Delegation Model)。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。父子之间的关系不以继承实现,而是使用组合关系来复用父加载器的代码。

工作流程:如果类加载器收到类加载的请求,会先将请求委派给父类加载器完成,每一个层次的类加载器都是如此,因此所有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无法完成这个加载请求,子加载器才会尝试自己去加载。

好处:如类java.lang.Object,存放在rt.jar中,无论哪个类加载器要加载这个类,都会委派到启动类加载器中,所以Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反,如果没有使用双亲委派模型,用户自定义了一个java.lang.Object类,被加载后虚拟机中就存在多个Object类,造成混乱。

类与类加载器共同确认其在JVM中的唯一性

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)+".class";
                    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 (IOException e) {
                       throw new ClassNotFoundException(name);
                   }
            }
        };
        Object obj = myLoader.loadClass("ClassLoaderTest").newInstance();
        System.out.println(obj.getClass());
        System.out.println(obj instanceof ClassLoaderTest);
    }
}
//结果 false

自定义了一个类加载器对类进行加载,并得到其实例化obj,最后发现obj并不是系统类加载器的实例,所以从侧面反映出类与类加载器共同确认其在JVM中的唯一性。

破坏双亲委派模型

? 在JDK1.2之前,用户可以继承ClassLoader,直接修改loadClass代码,可能会破坏双亲委派模型。JDK1.2之后,在java.lang.ClassLoader添加了一个新的protected方法findClass(), 在此之前,用户去继承java.lang.ClassLoader的唯一目的就是为了重写loadClass()方法,因为虚拟机在进行类加载的时候会调用加载器的私有方法loadClassInternal(),而这个方法的唯一逻辑就是去掉用自己的loadClass()。JDK1.2之后已不再提倡用户再去覆盖loadClass()方法,而应当把自己的类加载逻辑写到findClass()方法之中,在loadClass()方法的逻辑里如果父类加载失败,则会调用自己的findClass()方法来完成加载,这样就可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派模型规则的。

线程上下文类加载器实现了父类加载器可以请求子类加载器去完成类加载的动作,这种行为实际上就是打通了双亲委派模型的一般性原则。

OSGI中的每个模块(称为Bundle)与普通的Java类库区别并不大,两者一般都是以JAR格式进行封装,并且内部存储的都是Java Package和Class。但是一个Bundle可以声明它所依赖的Java Package(通过Import-Package描述),也可以声明它允许导出发布的Java Package(通过Export-Package描述)。在OSGI里面,Bundle之间的依赖关系从传统的上层模块依赖底层模块转变为平级之间的依赖。OSGI实现模块化热部署的关键则是它自定义的类加载器机制的实现。每一个程序模块(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的代码的热替换。

实例:

  • Bundle A:声明发布了packageA,依赖java.包。
  • *Bundle B:声明依赖了packageA和packageC,同时也依赖了java.*包
  • Bundle C:声明发布了packageC,依赖了packageA。

这三个Bundle之间的类加载器以及父类加载器之间的关系如图所示:

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