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虚拟机类加载机制

1.类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存开始,到卸载出内存为止,它整个生命周期包括了:加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using) 和 卸载(Unloading)七个阶段。 其中验证、准备和解析三个部分统称为连接(Linking)。这七个阶段的发生顺序如下所示。

其中加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的。而解析阶段不一定: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。

    加载阶段在什么情况下进行,虚拟机规范中并没有强制约束,这点可以交个虚拟机的具体实现来自由把握。对于初始化阶段,虚拟机规范则是严格规定了有且只有四种情况必须立即对类进行”初始化”

        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。常见的场景为:new关键字实例化对象、读取或设置一个类的静态字段(被final修饰、已在编译期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。

        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初始化,则需要先触发其父类的初始化。

        4).当虚拟机启动时,用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的那个类),虚拟机会先初始化这个主类。

    接口的加载过程和类的加载过程稍有一些不同:接口也有初始化过程,接口与类有区别的是第三种: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才会初始化。

1.加载

加载(loading)阶段是“类加载” (Class Loading)过程的一个阶段,在加载阶段,虚拟机需要完成以下三件事情:

    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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这些数据的访问入口。

   虚拟机规范这三点并不具体,因此虚拟机实现与具体应用的灵活度相当大。加载方式很多:

  • 从zip包中读取,日后发展为JAR,EAR,WAR格式
  • 从网络中获取,这场景最典型的是Applet
  • 运行时计算生成,此场景使用最多的是动态代理技术,在java.lang.reflect.Proxy中,就是用ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生成*$Proxy的代理类的二进制字节流。
  • 由其他文件生成,典型场景:JSP应用
  • 从数据库中读取
  • 。。。。

    加载完成后,虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区中,方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义,虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后再Java堆中实例化一个java.lang.Class类的对象,这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。加载阶段与连接阶段的部分内容(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,这两个阶段开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

2.验证

    验证是连接阶段的第一步,这一阶段目的是为了确保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安全。

    虚拟机规范对这个阶段的限制和指导非常笼统,仅仅说了一句如果验证到输入的字节流不符合Class文件的存储格式,就抛出一个java.lang.VerifyError异常或者其子类异常。具体应当检查哪些方面,如何检查,何时检查,都没有强制要求或明确说明,所以不同的虚拟机对验证的实现可能会有所不同,但大致上都会完场下面四个阶段的检验过程:文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

    1.文件格式验证

    第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范否,并且能被当前版本的虚拟机处理。该验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确的解析并存储于方法区之内,格式上符合描述一个Java类型的信息的要求。这阶段的验证是基于字节流进行的,经过这个就饿段的验证之后,字节流才会进入内存的方法区进行存储,所以后面三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的。

    2.元数据验证

    第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析,以保证其描述的信息符合Java语言的规范要求,这个阶段可能包括的验证点如下:

  • 这个类是否有父类(除了java.lang.Object之外,所有的类应当有父类)
  • 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类(被final修饰)
  • 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。
  • 类中的字段、方法是否与父类产生了矛盾
  • 。。。。。

    3.字节码验证

    第三个阶段是验证过程中最复杂的一个,其主要工作是进行数据流和控制流分析。第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后,这阶段将对类的方法体进行校验分析。这阶段的任务是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行为,例如:

  • 保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作,例如不会出现类似这种情况:在操作栈中放置了一个int类型的数据,使用时却按long类型来加载入本地变量表中。
  • 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
  • 保证方法体中的类型转换是有效的,例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型,这是安全的,反之不合法。
  • 。。。。。。

    如果一个类的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。即使字节码验证之中进行了大量的检查,也不能保证这一点。这里涉及了离散数学中一个很著名的问题“Halting Problem“:通俗一点的说法就是,通过程序去校验程序逻辑是无法做到绝对准确的--不能通过程序准确地检查出程序是否能在有限的时间之内结束运行。

    为避免将过多时间消耗在字节码验证阶段,1.6之后给方法体的Code属性的属性表中增加了一项名为“StackMapTable”的属性,这项属性描述了方法体重所有的基本块开始时本地变量表和操作栈应有的状态,这可以将字节码验证的类型推导转变为类型检查从而节省一些时间。使用-XX:-UseSplitVerifier选项来关闭掉这项优化,或者使用参数-XX:+FailOverToOldVerifier要求在类型校验失败的时候瑞回到旧的类型推导方式进行校验(1.7之后不允许)。

    4.符号引用验证

    最后一个阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候,这个转化动作将在连接的第三个阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外的信息进行匹配性的校验,通常需要校验以下内容:

  • 符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。
  • 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段。
  • 符号引用中的类、字段和方法的访问性(private、protected、public、default)是否可被当前类访问。
  • 。。。。。。

    符号引用验证的目的是确保解析动作能正常执行,如果无法通过符号引用验证,将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类,如java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

    验证阶段对于虚拟机的类加载机制来说,是一个非常重要、但不一定是必要的阶段。如果所运行的全部代码都已经被反复使用和验证过,在实施阶段就可以考虑使用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施,以锁单虚拟机类加载的时间。

3.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得阶段,这些内存都将在方法区中进行分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下,首先是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睡着对象一起分配在Java堆中。其次是这里所说的初始值“通常情况下”是数据类型的零值。

    public static int value=123;

    此时value初始化为0,而不是123。如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性,那在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值,如:

    public static final int value = 123;

    编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性,在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

4.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发的过程。

    符号引用(Symbolic References): 符号引用以一组符号来描述所引用的目标,符号可以使任何形式的字面量,只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用于虚拟机实现的内存布局无关,引用的目标不一定已经加载到内存中。

    直接引用(Direct 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简介定位到目标的句柄,直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的,统一符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同,如果有了直接引用,那引用的目标必定已经在内存中存在。

     虚拟机规范之中并未规定解析阶段发生的具体时间,只要求在执行anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、multianewarray、new、putfield和putstatic这13个用于操作符引用的字节码指令之前,先对它们使用的符号引用进行解析。

    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,分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info,CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info以及CONSTANT_InterfaceMethodref_info 四种常量类型。下面讲解这四种引用的解析过程。

1.类或接口的解析

    假设当前代码所处的类为D,如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用,那虚拟机完成整个解析的过程需要包括以下三个步骤:     1)如果C不是一个数组类型,那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载过程中,由于无数据验证、字节码验证的需要,又将可能触发其他相关类的加载动作,例如加载这个类的父类或实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常,解析过程就将宣告失败。

    2)如果C是一个数组类型,并且数组的元素类型为对象,也就是N的描述符会是类似“Ljava.lang.Integer”的形式,那将会按照第一点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如全面所假设的形式,需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”,接着由虚拟机生成一个代表次数组维度和元素的数组对象。

2.字段解析

    要解析一个未被解析过的字段符号引用,首先对堆字段表内class_index项中索引CONSTANT_Class_info符号引用进行解析,也就是字段所属的类或接口的符号引用。如果在解析这个类或接口符号引用的过程中出现了任何异常,都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功完成,那将这个字段所属的类或接口用C表示,虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索:

    1)如果C本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标匹配的字段,则返回这个字段的直接引用,查找结束。

    2)否则,如果在C中实现了接口,将会按照继承关系从上往下递归搜索各个接口和它的父接口。如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标匹配的字段,则返回这个字段的直接引用,查找结束。

    3)否则,如果C不是java.lang.Object的话,将会按照继承关系从上往下递归搜索其父类,如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段,则返回这个字段的直接引用,查找结束。

    3)否则,查找失败,抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

   如果查找过程成功返回了引用,将会对这个字段进行权限验证,如果发现不具备对字段的访问权限,将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

3.类方法解析

    类方法解析第一步和字段解析一样,线解析出class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用,如果解析成功,用C表示这个类,虚拟机会按照点如下步骤进行后续类方法搜索:

    1)类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的,如果在类方法表中发现class_index中索引的C是个接口,那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。

    2)如果通过了第(1)步,在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。

    3)否则,在类C的父类中递归查找是否有这个方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。

    4)否则,在类C实现的接口列表以及它们的父接口之中递归查找是否有此方法,如果存在匹配,说明类C是一个抽象类,这时候查找结束,抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

    5)否则,宣告方法查找失败,抛出java.lang.NoSuchMethodError。

    最后,如果查找过程成功返回了直接引用,将会对这个方法进行权限验证;如果发现不具备对此方法的访问权限,将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

4.接口方法解析

    接口方法也是需要先解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用,如果解析成功,依然用C表示这个接口,接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索:     1)与类方法解析相反,如果在接口方法表中发现class_index中索引C是个类而不是接口,那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。

    2)否则,在接口中查找是否有此方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。

    3)否则,在接口C的父接口中递归查找,直到java.lang.Object类为止,看是否有此方法,如果有则返回这个方法直接引用,查找结束。

    4)否者,宣告方法查找失败,抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

    因为接口方法都是public 所以没有IllegalAccessError异常。

5.初始化

   直到初始化才真正开始执行类中定义的Java程序代码。初始化阶段是执行类的构造器<clinit>()方法的过程。

  • <clinit>()方法是由编译器自动收集类中所有的类变量赋值动作和静态语句块中的语句合并产生的,收集顺序取决于出现在源文件中的位置。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中可以复制,但是不能访问。
  • <clinit>()方法与类的构造函数不同,它不需要显示调用父类构造器,虚拟机保证在子类的<clinit>()方法执行之前,父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。
  • 由于父类的<clinit>()方法先执行,也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。
  • 如果一个类中没有静态变量或静态语句块,那么编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法。
  • 接口中不能使用静态代码块,但可使用静态变量。与类不同的是,执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()方法。只有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页一样不会执行接口的<clinit>()方法。
  • 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确的加锁和同步。多线程访问,一个访问其他都被阻塞。

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