类加载机制

定义

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，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。

类的生命周期

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)。

加载

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结构的访问入口。

对于第一条规则，并没有明确指明二进制字节流要从哪里获取、如何获取。所以有了一些除了从常规的Class文件中读取外的其他几种方式

  1. 从ZIP压缩包中读取
  2. 从网络中读取
  3. 运行时计算生成，这种场景使用的最多的就是动态代理技术。
  4. 从其他文件生成
  5. 从数据库中读取
  6. 从加密文件中获取，防止Class文件被反编译的保护措施，通过加载时揭秘Class文件
  7. ……

对于第二条规则，方法区中的数据存储格式也是完全由虚拟机自行定义，《Java虚拟机规范》未规定此区域的具体数据结构

加载阶段与连接阶段的部分动作(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一部
分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

在整个类加载过程中，非数组类的加载过程(准确地说，是加载阶段中获取类的二进 制字节流的动作)是开发人员可控性最强的阶段。加载阶段既可以使用Java虚拟机里内置的引导类加 载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员通过定义自己的类加载器去控制字节 流的获取方式(重写一个类加载器的findClass()或loadClass()方法)，实现根据自己的想法来赋予应用 程序获取运行代码的动态性。

对于数组类而言，情况就有所不同，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(Element Type，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，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p ublic，可被所有的类和接口访问到。

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。在比较两个类是否“相等”时，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。这里的相等，包括代表类的Class对象的equals()、isAssignableFrom()、isInstance() 方法。

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。

由于Class文件不一定由Java源码编译而来，无法保证Class文件的正确性以及安全性。所以验证字节码是Java虚拟机保护自身的一项必要措施。

验证阶段的工作量在虚拟机的类加载过程中占了相当大的比重。从整体来看，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。

  • 文件格式验证

    第一阶段要验证字节流是否符号Class文件格式的规范，并且是否能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。

    • 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。

    • ……

      该阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，格式上符合一个Java类型信息的要求。这个阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证之后，这段字节流才被运行进入Java虚拟机内存的方法区中进行存储，所以后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构上进行的，不会再直接读取、操作字节流了。

  • 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，这个阶段可能包含的验证点如下：

    • 这个类是否有父类(除了java.lang.Object之外，其他的类都应该有父类)。

    • 这个类的父类是否继承类不允许被继承的类(被final修饰的类)

    • 如果这个类不是抽象类，是否实现类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)。

    • ……

      这个阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在与《Java语言规范》定义相悖的元数据信息。

  • 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，并且保证被校验的类在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为，例如：

    • 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化总是有效的，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结构，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。

    • ……

      如果一个类型中有方法体的字节码没有通过字节码验证，那它肯定是有问题的；但如果一个方法体通过类字节码验证，也仍然不能保证它一定就说安全的。

  • 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，该类依赖的某些外部类、方法、字段等资源是否缺少或者被禁止访问。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：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，但却不是必须要执行的阶段。

      准备

      准备阶段是正式为类中定义的变量(静态变量)分配内存并设置类变量初始值的阶段。

      1
      2
      public static int val1 = 123;
      public static final int val2 = 123;

      对于这里的两个变量，在准备阶段val2的值为123，val1的值为0。val1的赋值需要到类的初始化阶段才会被执行。

      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( 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的定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。

    • 直接引用( Direct Reference)：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直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，同一个符号引用不能在不同虚拟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。

    1. 类或接口的解析

    2. 字段解析

    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<clinit>()方法的过程。<clinit>()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物。

      Java虚拟机会通过加锁来确保类的<clinit>方法仅被执行一次。

      类的初始化何时会被触发呢?JVM 规范枚举了下述多种触发情况:

    5. 当虚拟机启动时，初始化用户指定的主类;

    6. 当遇到用以新建目标类实例的 new 指令时，初始化 new 指令的目标类;

    7. 当遇到调用静态方法的指令时，初始化该静态方法所在的类;

    8. 当遇到访问静态字段的指令时，初始化该静态字段所在的类;

    9. 子类的初始化会触发父类的初始化;

    10. 如果一个接口定义了 default 方法，那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化，会触发该接口的初始化;

    11. 使用反射API对某个类进行反射调用时，初始化这个类;

    12. 当初次调用 MethodHandle 实例时，初始化该 MethodHandle 指向的方法所在的类。