我们在参加面试的时候,经常被问到一些关于类加载机制的问题,也都会在面试之前准备的时候背好答案,但是我们是否有去深入了解什么是类加载机制呢?这段时间因为一些事情在家看了些书,这次就和大家分享一些关于Java类加载机制的知识。
虚拟机的类加载机制:Java虚拟机把数据加载到内存,同时对数据进行校验、解析、初始化等一些列操作,最终把Class文件变为虚拟机可以直接使用的Java类型文件。
一个类从被加载到虚拟机内存开始,直到卸载出内存为止,他的生命周期会经历加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段(其中验证、准备、解析三个阶段被称为连接)
连接就是将已经读入到内存的类的二进制数据合并到虚拟机的运行时环境中去,所以这三个阶段可以看成是一整个阶段。
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,类加载的顺序必须按照这种顺序按部就班的开始,而解析阶段则不一样,有时候为了支持动态绑定它可以在初始化阶段之后再进行解析。 至于何时会进行加载阶段,《Java虚拟机规范中》并未进行强制约束,只需要在加载阶段完成以下三件事:
但是对于数组类而言、情况则有所不同。数组类本身不通过类加载器来创造,而是由Java虚拟机在直接在内存中动态构建出来的。但是构成数组类本身的元数类型(Element Type)还是需要类加载器来加载完成,所以最终还是会遵循类加载器的以下规则:
加载阶段结束后,Java需要立即外部的二进制字节流就会按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了,方法区中的数据存储格式将完全由虚拟机自行实现。
与之前所说的一致,数据被存储在方法区之后,会在Java堆内存中实例化一个代表这个类的java.lang.Class对象,对象将作为方法区中这个类的各种数据的外部接口。
加载阶段与连接阶段的部分动作是交替进行的(比如字节码文件格式的验证动作),加载阶段尚未结束也许连接阶段就已经开始,但是两个阶段的开始时间还是保持着先后顺序。
验证是连接的第一步,这一阶段的目的就是确保Class文件字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》中的全部约束,并且确保这些信息不会危害虚拟机本身的安全。验证阶段会完成四个阶段的验证:文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证,接下来就依次介绍这四种验证。
第一阶段自然是检查字节流是否符合Class文件格式的规范,并且能被当前版本的虚拟机理解(这一部分需要联系到Class的文件结构)
Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储数据,这种伪结构中只有两种数据类型:无符号数和表。
下图为详细介绍:
类型 | 名称 | 中文名 | 数量 | 默认值(没有则不写) |
---|---|---|---|---|
u4 | magic | 魔数 | 1 | |
u2 | minor_version | 次版本号 | 1 | |
u2 | major_version | 主版本号 | 1 | JDK版本(k>=2),对应的范围为45.0~44+k.0 |
u2 | constant_pool_count | 常量池容量 | 1 | 值为常量池成员数+1,唯一一个从1开始计数的单位 |
cp_info | constant_pool | 常量池 | constant_pool_count-1 | 下标为0:表示“不引用任何一个常量池” |
u2 | access_flags | 访问标志 | 1 | |
u2 | this_class; | 类索引 | 1 | 常量池表中的一个有效索引,该索引处的成员为CONSTANT_Class_info类型常量(类/接口) |
u2 | super_flags | 父类索引 | 1 | 0或者常量池有效索引,0表示该类为Object |
u2 | interfaces_count | 接口计数器 | 1 | 可以为0 |
u2 | interfaces | 接口表 | interfaces_count | 常量池中CONSTANT_Class_info的有效索引 |
u2 | fields_count | 字段计数器 | 1 | |
field_info | fields | 字段表 | fields_count | 成员为field_info结构,不包括父类或父接口的字段 |
u2 | methods_count | 方法计数器 | 1 | |
method_info | methods | 方法表 | methods_count | 成员为method_info结构,包括和,不包括父类或父接口的方法 |
u2 | attributes_count | 属性计数器 | 1 | |
attribute_info | attributes | 属性表 | attributes_count | 成员为attribute_info结构,Signature、InnerClasses等 |
只有通过了这个阶段的验证,字节流才被允许进入Java虚拟机的内存的方法区中进行存储。后面的三个验证阶段全部给予方法区的存储结构式进行的,不会再直接读取操作字节流了。
第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析,以确保其描述信息符合规范:
第三阶段是整个验证过程中最为复杂的一个阶段,主要目的是通过数据流分析和控制流分析,确定语义是合法以及符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型校验完毕之后,这个阶段主要对类的方法体进行校验分析,保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机的行为。
最后一个校验阶段发生在虚拟机将符号应用转化为直接引用的时候,这个转化会在解析阶段发生。
符号引用验证的目的是要确保解析行为能正常秩序,如果无法通过符号引用验证,Java虚拟机会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError的子类异常。
准备阶段是正式为类中定义的变量(即静态变量)分配内存并设置类变量初始值的阶段,从概念上来说,这些变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配。
在准备阶段进行内存分配的仅包括类变量(静态变量),而不包括实例变量。实例变量将会在对象实例化的阶段随着对象一起分配在java堆中。
public static int value = 1;
类似于这种情况,在准备阶段后依然是0而不是1,因为这时候尚未执行任何Java方法,将value赋值必须等到类的初始化阶段才会被执行。
public static final int value = 1;
但是如果类字段存在ConstantValue属性,则在准备阶段就会根据ConstantValue的设置将value赋值为1。
ConstantValue属于属性表集合中的一个属性 static final修饰的字段在javac编译时生成comstantValue属性,在类加载的准备阶段直接把constantValue的值赋给该字段。可以理解为在编译期即把结果放入了常量池中,同时ConstantValue的属性值只限于基本类型和String类型。
解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。
解析阶段包括四种类型的解析。
字段解析将会按照以下步骤进行解析。
以上规则能确保Java虚拟机获得字段的唯一解析结果,但在实际情况中,编译器往往会采取比上述规范更加严格的约束,比如同名字段同时出现在某个类的接口和父类中,或者在自己和父类中同时出现,Javac编译器就会直接拒编译。
最后如果成功返回了直接引用,还会对方法进行访问权限验证,如果失败依然要抛出java.lang.illegalAccessError异常。
在JDK9引入模块化之后,public类型也不在意味着程序任何位置都有它的访问权限,还需要检查模块之间的访问权限,接口方法访问完全有可能因为访问权限控制而出现java.lang.illegalAccessError异常。
初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤,在之前的几个步骤中,除了在加载阶段用户可以通过自定义类加载器的方式局部控制以外,其他时间都是完全由Java虚拟机来主导。在初始化阶段,Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码。
我们之前提过,在准备阶段,变量已经经过一次系统初始赋值(大部分情况为初始值),而在初始化阶段,则会根据我们设计的程序而去初始化变量。
《Java虚拟机规范》中定义了六种情况必须对类进行初始化:
除此之外,其他方式都无法触发类的初始化,我们可以通过子类引用父类的静态字段来测试。
public class Father {
static {
System.out.println("I am Father ");
}
public static int value =1;
}
public class Son extends Father{
static {
System.out.println("I am Son ");
}
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(Son.value);
}
这是一个很有名的例子,告诉我们子类引用父类的静态字段,并不会导致子类的初始化,只有直接定义这个字段的类才会被初始化
我们再来看看如果在编译阶段把数据放入常量池,是否会进行初始化。
public class ConstantValueTest {
static {
System.out.println("I am ConstantValueTest ");
}
public static final int value = 1;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(ConstantValueTest.value);
}
答案也是显而易见,因为我们之前也有提过,在之前的阶段已经将常量存储在常量池中,所以并不会初始化类本身。
public static void main(String[] args) {
Father[] fathers =new Father[10];
}
除此之外,通过数组来创造引用类,也不会触发类的初始化。这段代码执行后,并没有触发Father类的初始化,而是由虚拟机自生成了一个继承与Object的子类,这个类代表了一个一维数组。
类加载的主要流程大体上是这样的,虽然还是没有做到非常详细,如果需要更加深入了解的同学们可以通过去读一些JVM方面的书籍获取更多的信息。
类加载器是Java语言的非常重要的基石,它的提前编译的策略会增加计算机的开销,但却为Java应用提高了扩展性和灵活性,Java天生可以动态扩展的语言特性就是一类运行期动态加载和动态链接这个特性实现的。