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jvm虚拟机类加载机制详解

2024-04-02 19:55

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1 概述

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、转化解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这个过程称为虚拟机的类加载机制。在Java语言中，类型的加载、连接和初始化都是在程序运行期间完成的。

2 类的加载时机

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、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段，其中验证、准备和解析三个部分统称为连接。发生顺序如下：

在这里插入图片描述

《Java虚拟机规范》严格规定有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”（加载、验证和准备自然需要在此之前开始）：

遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类型没有进行初始化，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关键字实例化对象的时候
- 读取或设置一个类型的静态字段的时候
- 调用一个类型的静态方法的时候
使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果还没被初始化，则需要先触发其初始化。
当初始化类的时候，如果发现其父类还没进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
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。
jdk1.7新加入的动态语言支持时。
当一个接口中定义了jdk8新加入的默认方法时。

这六种场景的行为称为对一个类型进行主动引用。除此之外，所有引用类型的方式都不会触发初始化，称为被动引用。下面举出被动引用的例子

示例1：通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化

public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);  // 只会输出“SuperClass init”，而不会输出“subclass init”
        SuperClass[] superClasses = new SuperClass[10];  // 不会输出“SuperClass init”
    }
}

class SuperClass {
    static {
        System.out.println("SuperClass init");
    }
    public static int value = 123;
}

class SubClass extends SuperClass {
    static {
        System.out.println("SubClass init!");
    }
}

示例2：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初始化

public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);  // 不会输出“ConstClass init!”，因为常量直接存储到常量池中。
    }
}
class ConstClass {
    static {
        System.out.println("ConstClass init!");
    }

    public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}

class Test {
    static {
        i = 0;
    }
    static int i = 1;
}

3 类的加载过程

3.1 加载

在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。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。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的各种数据的访问入口。

3.2 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》的约束要求，保证这些信息不会危害虚拟机自身。

3.3 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。

3.4 解析

解析阶段是将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

3.5 初始化

初始化是类加载过程的最后一个阶段，直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。初始化阶段就是执行类构造器的()方法的过程。

()方法与类的构造函数不同，它不需要显示地调用父类构造器，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()方法肯定是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，如下代码：字段值将会是2而不是1。

public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Sub.B);
}

static class Parent {
    public static int A = 1;
    static {
        A = 2;
    }
}

static class Sub extends Parent {
    public static int B = A;
}

4 类加载器

类加载器用于实现类的加载动作，JVM中内置了三个重要的ClassLoader，除了BootstrapClassLoader其他类加载器均由Java实现且全部继承自java.lang.ClassLoader：

BootstrapClassLoader（启动类加载器）：最顶层的加载类，负责加载%JAVA_HOME%/lib目录下的jar包和类或者被-X:bootclasspathc参数指定的路径下的所有类。
Extension Class Loader（扩展类加载器）：主要负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的所有类库。
AppClassLoader（应用程序类加载器）：面向我们用户的加载器，负责加载当前应用的classpath中的所有jar包和类。

4.1 双亲委派模型

在这里插入图片描述

如上图：双亲委派模型的工作流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时，子加载器才会尝试自己去完成加载。

好处

Java中的类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。

实现

private final ClassLoader parent; 
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先，检查请求的类是否已经被加载过
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {//父加载器不为空，调用父加载器loadClass()方法处理
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {//父加载器为空，使用启动类加载器 BootstrapClassLoader 加载
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                   //抛出异常说明父类加载器无法完成加载请求
                }
                
                if (c == null) {
                    long t1 = System.nanoTime();
                    //自己尝试加载
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }