虚拟机类加载机制

  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语言里,类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的,这会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,java里天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。

类加载时机

对于初始化阶段,虚拟机规范严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”(加载、验证、准备是在此之前开始的):

  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。
  2. 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。
  3. 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初始化。
  4. 当虚拟机启动时,用户需要指定一个要执行的主类,虚拟机会先初始化这个主类。
  5. 当使用JDK 1.7的动态语言时,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。

类加载的过程

类的生命周期如下图所示。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。

加载

“加载”是“类加载”过程的一个阶段。在加载阶段,虚拟机需要完成以下3件事情:

  1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
  2. 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。
  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。

加载阶段与连接阶段的部分内容是交叉进行的,加载阶段尚未完成,连接阶段可能已经开始。但这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

验证(特别耗时)

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。验证阶段是非常重要的,这个阶段是否严谨,直接决定了java虚拟机是否能够承受恶意代码的攻击,从执行性能的角度上讲,验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中又占了相当大的一部分。验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检验动作:

  1. 文件格式验证:检查格式,保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内,格式上符合描述一个java类型信息的要求。
  2. 元数据验证:检查语义,保证不存在不符合java语言规范的元数据信息。
  3. 字节码验证:检查逻辑,整个验证过程中最复杂的一个阶段,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,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事件。
  4. 符号引用验证:对类自身以外的信息进行匹配性校验,确保解析动作能正常执行。

准备

正式为类变量分配内存并设置类变量初始值,这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

解析

虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用。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。

初始化

初始化阶段是类加载过程的最后一步,

类加载器

类加载器主要实现通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流。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。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下才有意义。

类加载器实例

Tomcat:正统的类加载器架构

Tomcat自定义了多个类加载器,这些类加载器按照经典的双亲委派模型来实现,其架构如下图所示:

OSGi:灵活的类加载器架构

OSGi(Open Service Gateway Initiative)是OSGi联盟制定的一个基于java语言的动态模块化规范。OSGi在java程序员中最著名的应用案例就Eclipse IDE,另外还有许多大型的软件平台和中间件服务器都基于或声明将会基于OSGi规范来实现。

OSGi的Bundle类加载器之间只有规则,没有固定的委派关系。例如,某个Bundle声明了一个它依赖的Package,如果有其他Bundle声明发布了这个Package,那么所有对这个Package的类加载动作都会委派给发布它的Bundle类加载器去完成。不涉及某个具体的Package时,各个Bundle加载器都是平级关系,只有具体使用某个Package和Class的时候,才会根据Package导入导出定义来构造Bundle间的委派和依赖。其架构如下图所示:

类加载器模型

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,使用C++语言实现,是虚拟机自身的一部分;另一种是所有其他类的加载器,由java语言实现,独立于虚拟机外部,并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。其模型架构如下图所示:

双亲委派模型的工作过程: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,只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求时,子加载器才会尝试自己去加载。

破坏双亲委派模型

与双亲委派模型一样,关键在于只有一个外部接口,相当于门面。

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代码的热替换。在OSGi环境下,类加载器不再是双亲委派模型中的树状结构,而是复杂的网状结构。当收到类加载请求时,OSGi将按照下面的顺序进行类搜索:

  1. 将以java.*开头的类委派给父类加载器加载。
  2. 否则,将委派列表名单内的类委派给父类加载器加载。
  3. 否则,将Import列表中的类委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。
  4. 否则,查找当前Bundle的ClassPath,使用自己的类加载器加载。
  5. 否则,查找类是否在自己的Fragment Bundle中,如果在,则委派给Fragment Bundle的类加载器加载。
  6. 否则,查找Dynamic Import列表的Bundle,委派给对应的Bundle的类加载器加载。
  7. 否则,类查找失败。

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