虚拟机的类加载机制:Java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。
在Java语言里面,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,这种策略让Java语言进行提前编译会面临额外的困难,也会让类加载时稍微增加一些性能开销,但是却为Java应用提供了极高的扩展性和灵活性,Java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。

类加载的时机

一个类型从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,它的整个生命周期将会经历加载(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、解析三个部分统称为连接(Linking)。这七个阶段的发生顺序如图所示。
image.png
加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的,类型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语言的运行时绑定特性(也称为动态绑定或晚期绑定)。
有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”(而加载、验证、准备自然需要在此之前开始):
1) 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时,如果类型没有进行过初始化,则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型Java代码场景有:

  • 使用new关键字创建实例化对象时。
  • 读取或设置一个类型的静态字段(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。
  • 调用一个类型的静态方法的时候。

2) 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候,如果类型没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。
3) 当初始化类的时候,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。
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。
5) 当使用JDK7新加入的动态语言支持时,如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSDSpecial四种类型的方法句柄,并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。
6) 当一个接口中定义了JDK8新加入的默认方法(被default关键字修饰的接口方法)时,如果有这个接口的实现类发生了初始化,那该接口要在其之前被初始化。

主动引用:上述六种场景中的行为称为对一个类型进行主动引用。
被动引用:除此之外,所有引用类型的方式都不会处罚初始化,这称为被动引用。例如,通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化;通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化;常量在编译阶段会存入调用类的常量池中,本质上没有直接引用到定义常量的类,因此不会触发定义常量的类的初始化。

接口与类加载的区别:

  1. 上述类的加载都是用静态语句块“static{}”来输出初始化信息,而接口中不能使用“static{}语句块,但编译器仍然会为接口生成“>clinit>()”类构造器,用于初始化接口中所定义的成员变量;
  2. 接口与类的真正区别在于,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(如引用接口中定义的常量)才会初始化。

类加载的过程

加载

“加载”(Loading)阶段是整个“类加载”(Class Loading)过程中的一个阶段。在加载阶段,Java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。

数组类本身不通过类加载器创建,它是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系,因为数组类的元素类型(ElementType,指的是数组去掉所有维度的类型)最终还是要靠类加载器来完成加载,一个数组类(下面简称为C)创建过程遵循以下规则:

  • 如果数组的组件类型(Component Type,指的是数组去掉一个维度的类型,注意和前面的元素类型区分开来)是引用类型,那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型,数组C将被标识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上(这点很重要,在7.4节会介绍,一个类型必须与类加载器一起确定唯一性)。
  • 如果数组的组件类型不是引用类型(例如int[]数组的组件类型为int),Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联。
  • 数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致,如果组件类型不是引用类型,它的数组类的可访问性将默认为public,可被所有的类和接口访问到。

验证

验证是连接阶段的第一步,这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求,保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。从整体上看,验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作: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,并且能够被当前版本的虚拟机处理。这一阶段可能包括下面这些验证点:
是否以魔数0xCAFEBABE开头。
主、次版本号是否在当前Java虚拟机接受范围之内。
常量池的常量中是否有不被支持的常量类型(检查常量tag标志)。
指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量。
CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF-8编码的数据。
Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。
……
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语言规范》的要求,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,所有的类都应当有父类)。
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。
类中的字段、方法是否与父类产生矛盾(例如覆盖了父类的final字段,或者出现不符合规则的方法重载,例如方法参数都一致,但返回值类型却不同等)。
……
3.字节码验证
第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段,主要目的是通过数据流分析和控制流分析,确定程序语义是合法的、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以后,这阶段就要对类的方法体(Class文件中的Code属性)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,例如不会出现类似于“在操作栈放置了一个int类型的数据,使用时却按long类型来加载入本地变量表中”这样的情况。
保证任何跳转指令都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总是有效的,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,但是把父类对象赋值给子类数据类型,甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个
数据类型,则是危险和不合法的。
……
“停机问题”:即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。
4.符号引用验证
最后一个阶段的校验行为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阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看作是对类自身以外(常量池中的各种符号引用)的各类信息进行匹配性校验,通俗来说就是,该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。本阶段通常需要校验下列内容:
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及简单名称所描述的方法和字段。
符号引用中的类、字段、方法的可访问性(private、protected、public、)是否可被当前类访问。
……
符号引用验证的主要目的是确保解析行为能正常执行,如果无法通过符号引用验证,Java虚拟机将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError的子类异常,典型的如:java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

准备

准备阶段是正式为类中定义的变量(即静态变量,被static修饰的变量)分配内存并设置类变量初始值的阶段,这时候进行内存分配的仅包括类变量,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Java堆中,这里所说的初始值“通常情况下”是数据类型的零值。“特殊情况下”如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性,那在准备阶段变量值就会被初始化为ConstantValue属性所指定的初始值。
Java中所有基本数据类型的零值。
image.png

解析

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,符号引用在第6章讲解Class文件格式的时候已经出现过多次,在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现。

  • 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。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关,引用的目标并不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同,但是它们能接受的符号引用必须都是一致的,因为符号引用的字面量形式明确定义在《Java虚拟机规范》的Class文件格式中。
  • 直接引用(Direct References):直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局直接相关的,同一个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虚拟机的内存中存在。

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这7类符号引用进行,分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CON-STANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_Dyna-mic_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info 8种常量类型。

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3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,由于元数据验证、字节码验证的需要,又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的描述符如前面所假设的形式,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该数组维度和元素的数组对象。
3)如果上面两步没有出现任何异常,那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了,但在解析完成前还要进行符号引用验证,确认D是否具备对C的访问权限。如果发现不具备访问权限,将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

2.字段解析
要解析一个未被解析过的字段符号引用,首先将会对字段表内class_index项中索引的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。如果在解析阶段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,那把这个字段所属的类或接口用C表示。

3.方法解析

4.接口方法解析

初始化

初始化阶段就是执行类构造器()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{}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,在前面的静态语句块可以赋值,但是不能访问。
()方法与类的构造函数(即在虚拟机视角中的实例构造器()方法)不同,它不需要显式地调用父类构造器,Java虚拟机会保证在子类的()方法执行前,父类的()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的()方法的类型肯定是java.lang.Object。
由于父类的()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。
()方法对于类或接口来说并不是必需的,如果一个类中没有静态语句块,也没有对变量的赋值操作,那么编译器可以不为这个类生成()方法。
接口中不能使用静态语句块,但仍然有变量初始化的赋值操作,因此接口与类一样都会生成()方法。但接口与类不同的是,执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法,因为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。此外,接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。
Java虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁同步,如果多个线程同时去初始化一个类,那么只会有其中一个线程去执行这个类的()方法,其他线程都需要阻塞等待,直到活动线程执行完毕()方法。如果在一个类的()方法中有耗时很长的操作,那就可能造成多个进程阻塞[2],在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

类加载器

Java虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现,以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。实现这个动作的代码被称为“类加载器”(Class Loader)。

类与类加载器

对于任意一个类,都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在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,否则,即使这两个类来源于同一个Class文件,被同一个Java虚拟机加载,只要加载它们的类加载器不同,那这两个类就必定不相等。这里所指的“相等”,包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果,也包括了使用instanceof关键字做对象所属关系判定等各种情况。

双亲委派模型

Java虚拟机的角度,只存在两种不同的类加载器:
1.启动类加载器(BootstrapClassLoader),这个类加载器使用C++语言实现,是虚拟机自身的一部分;
2.其他所有的类加载器,这些类加载器都由Java语言实现,独立存在于虚拟机外部,并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

Java开发人员的角度,自JDK 1.2以来,Java一直保持着三层类加载器、双亲委派的类加载架构,尽管这套架构在Java模块化系统出现后有了一些调整变动,但依然未改变其主体结构。

  • 启动类加载器(Bootstrap Class Loader):这个类加载器负责加载存放在\lib目录,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的,而且是Java虚拟机能够识别的(按照文件名识别,如rt.jar、tools.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机的内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用,用户在编写自定义类加载器时,如果需要把加载请求委派给引导类加载器去处理,那直接使用null代替即可。
  • 扩展类加载器(Extension Class Loader):这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader中以Java代码的形式实现的。它负责加载\lib\ext目录中,或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。根据“扩展类加载器”这个名称,就可以推断出这是一种Java系统类库的扩展机制,JDK的开发团队允许用户将具有通用性的类库放置在ext目录里以扩展Java SE的功能,在JDK9之后,这种扩展机制被模块化带来的天然的扩展能力所取代。由于扩展类加载器是由Java代码实现的,开发者可以直接在程序中使用扩展类加载器来加载Class文件。
  • 应用程序类加载器(Application Class Loader):这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystem-ClassLoader()方法的返回值,所以有些场合中也称它为“系统类加载器”。它负责加载用户类路径(ClassPath)上所有的类库,开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。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。

image.png
类加载器之间的父子关系一般不是以继承(Inheritance)的关系来实现的,而是通常使用组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。
双亲委派模型的工作过程是: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最顶层的启动类加载器中,只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需的类)时,子加载器才会尝试自己去完成加载。

破坏双亲委派模型

  1. 双亲委派模型的第一次“被破坏”其实发生在双亲委派模型出现之前——即JDK 1.2面世以前的“远古”时代。
  2. 双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷导致的,双亲委派很好地解决了各个类加载器协作时基础类型的一致性问题(越基础的类由越上层的加载器进行加载),基础类型之所以被称为“基础”,是因为它们总是作为被用户代码继承、调用的API存在,但程序设计往往没有绝对不变的完美规则,如果有基础类型又要调用回用户的代码,那该怎么办呢?
  3. 双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的,这里所说的“动态性”指的是一些非常“热”门的名词:代码热替换(Hot Swap)、模块热部署(Hot Deployment)等。

Java模块化系统

Java的模块定义包括以下内容:

  • 充当代码的容器
  • 依赖其他模块的列表
  • 导出的包列表,即其他模块可以使用的列表。
  • 开放的包列表,即其他模块可反射访问模块的列表。
  • 使用的服务列表。
  • 提供服务的实现列表。

模块的兼容性

为了使可配置的封装隔离机制能够兼容传统的类路径查找机制,JDK 9提出了与“类路径”(ClassPath)相对应的“模块路径”(ModulePath)的概念。简单来说,就是某个类库到底是模块还是传统的JAR包,只取决于它存放在哪种路径上。只要是放在类路径上的JAR文件,无论其中是否包含模块化信息(是否包含了module-info.class文件),它都会被当作传统的JAR包来对待;相应地,只要放在模块路径上的JAR文件,即使没有使用JMOD后缀,甚至说其中并不包含module-info.class文件,它也仍然会被当作一个模块来对待。
模块化系统将按照以下规则来保证使用传统类路径依赖的Java程序可以不经修改地直接运行在JDK 9及以后的Java版本上:

  • JAR文件在类路径的访问规则:所有类路径下的JAR文件及其他资源文件,都被视为自动打包在一个匿名模块(Unnamed Module)里,这个匿名模块几乎是没有任何隔离的,它可以看到和使用类路径上所有的包、JDK系统模块中所有的导出包,以及模块路径上所有模块中导出的包。
  • 模块在模块路径的访问规则:模块路径下的具名模块(Named Module)只能访问到它依赖定义中列明依赖的模块和包,匿名模块里所有的内容对具名模块来说都是不可见的,即具名模块看不见传统JAR包的内容。
  • JAR文件在模块路径的访问规则:如果把一个传统的、不包含模块定义的JAR文件放置到模块路径中,它就会变成一个自动模块(Automatic Module)。尽管不包含module-info.class,但自动模块将默认依赖于整个模块路径中的所有模块,因此可以访问到所有模块导出的包,自动模块也默认导出自己所有的包。

模块化下的类加载器

首先,是扩展类加载器(Extension Class Loader)被平台类加载器(Platform Class Loader)取代。
其次,平台类加载器和应用程序类加载器都不再派生自java.net.URLClassLoader,如果有程序直接依赖了这种继承关系,或者依赖了URLClassLoader类的特定方法,那代码很可能会在JDK 9及更高版本的JDK中崩溃。现在启动类加载器、平台类加载器、应用程序类加载器全都继承于jdk.internal.loader.BuiltinClassLoader,在BuiltinClassLoader中实现了新的模块化架构下类如何从模块中加载的逻辑,以及模块中资源可访问性的处理。
image.png
当平台及应用程序类加载器收到类加载请求,在委派给父加载器加载前,要先判断该类是否能够归属到某一个系统模块中,如果可以找到这样的归属关系,就要优先委派给负责那个模块的加载器完成加载,也许这可以算是对双亲委派的第四次破坏。
在Java模块化系统明确规定了三个类加载器负责各自加载的模块,即前面所说的归属关系,如下所示。

  • 启动类加载器 | java.base
    java.datatransfer
    java.desktop
    java.instrument
    java.logging
    java.management
    java.management.rmi
    java.naming
    java.prefs
    java.rmi | java.security.sasl
    java.xml
    jdk.httpserver
    jdk.internal.vm.ci
    jdk.management
    jdk.management.agent
    jdk.naming.rmi
    jdk.net
    jdk.sctp
    jdk.unsupported | | —- | —- |

  • 平台类加载器 | java.activation
    java.compiler

    java.corba
    java.scripting
    java.se
    java.se.ee
    java.security.jgss
    java.smartcardio
    java.sql
    java.sql.rowset
    java.transaction

    java.xml.bind
    java.xml.crypto
    java.xml.ws

    java.xml.ws.annotation | jdk.accessibility
    jdk.charsets
    jdk.crypto.cryptoki
    jdk.crypto.ec
    jdk.dynalink
    jdk.incubator.httpclient
    jdk.internal.vm.compiler

    jdk.jsobject
    jdk.localedata
    jdk.naming.dns
    jdk.scripting.nashorn
    jdk.security.auth
    jdk.security.jgss
    jdk.xml.dom
    jdk.zipfs | | —- | —- |

  • 应用程序类加载器 | jdk.aot
    jdk.attach
    jdk.compiler
    jdk.editpad
    jdk.hotspot.agent
    jdk.internal.ed
    jdk.internal.jvmstat
    jdk.internal.le
    jdk.internal.opt
    jdk.jartool
    jdk.javadoc
    jdk.jcmd
    jdk.jconsole | jdk.jdeps
    jdk.jdi
    jdk.jdwp.agent
    jdk.jlink
    jdk.jshell
    jdk.jstatd
    jdk.pack
    jdk.policytool
    jdk.rmic
    jdk.scripting.nashorn.shell
    jdk.xml.bind
    jdk.xml.ws
    | | —- | —- |