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  • Java虚拟机 9 :Java 类加载机制

    前言

    我们知道我们写的程序经过编译后成为了.class文件,.class文件中描述了类的各种信息,终都需要加载到虚拟机之后才能运行和使用。而虚拟机如何加载这些.class文件?.class文件的信息进入到虚拟机后会发生什么变化?这些都是本文要讲的内容,文章将会讲解加载类加载的每个阶段Java虚拟机需要做什么事(加粗标红)。

    类使用的7个阶段

    类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存,它的整个生命周期包括:加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initiallization)、使用(Using)和卸载(Unloading)这7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接(Linking),这七个阶段的发生顺序如下图:

    图中,加载、验证、准备、初始化、卸载这5个阶段的顺序是确定的,类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始,而解析阶段不一定:它在某些情况下可以初始化阶段之后在开始,这是为了支持Java语言的运行时绑定(也称为动态绑定)。接下来讲解加载、验证、准备、解析、初始化五个步骤,这五个步骤组成了一个完整的类加载过程。使用没什么好说的,卸载属于GC的工作,在之前GC的文章中已经有所提及了。

    加载Loading

    加载是类加载的个阶段。有两种时机会触发类加载:

    1、预加载。虚拟机启动时加载,加载的是JAVA_HOME/lib/下的rt.jar下的.class文件,这个jar包里面的内容是程序运行时非常常常用到的,像java.lang.*、java.util.*、java.io.*等等,因此随着虚拟机一起加载。要证明这一点很简单,写一个空的main函数,设置虚拟机参数为”-XX:+TraceClassLoading”来获取类加载信息,运行一下:

    [Opened E:\MyEclipse10\Common\binary\com.sun.java.jdk.win32.x86_64_1.6.0.013\jre\lib\rt.jar]
    [Loaded java.lang.Object from E:\MyEclipse10\Common\binary\com.sun.java.jdk.win32.x86_64_1.6.0.013\jre\lib\rt.jar]
    [Loaded java.io.Serializable from E:\MyEclipse10\Common\binary\com.sun.java.jdk.win32.x86_64_1.6.0.013\jre\lib\rt.jar]
    [Loaded java.lang.Comparable from E:\MyEclipse10\Common\binary\com.sun.java.jdk.win32.x86_64_1.6.0.013\jre\lib\rt.jar]
    [Loaded java.lang.CharSequence from E:\MyEclipse10\Common\binary\com.sun.java.jdk.win32.x86_64_1.6.0.013\jre\lib\rt.jar]
    [Loaded java.lang.String from E:\MyEclipse10\Common\binary\com.sun.java.jdk.win32.x86_64_1.6.0.013\jre\lib\rt.jar]
    [Loaded java.lang.reflect.GenericDeclaration from E:\MyEclipse10\Common\binary\com.sun.java.jdk.win32.x86_64_1.6.0.013\jre\lib\rt.jar]
    [Loaded java.lang.reflect.Type from E:\MyEclipse10\Common\binary\com.sun.java.jdk.win32.x86_64_1.6.0.013\jre\lib\rt.jar]
    [Loaded java.lang.reflect.AnnotatedElement from E:\MyEclipse10\Common\binary\com.sun.java.jdk.win32.x86_64_1.6.0.013\jre\lib\rt.jar]
    [Loaded java.lang.Class from E:\MyEclipse10\Common\binary\com.sun.java.jdk.win32.x86_64_1.6.0.013\jre\lib\rt.jar]
    [Loaded java.lang.Cloneable from E:\MyEclipse10\Common\binary\com.sun.java.jdk.win32.x86_64_1.6.0.013\jre\lib\rt.jar]
    ...

    2、运行时加载。虚拟机在用到一个.class文件的时候,会先去内存中查看一下这个.class文件有没有被加载,如果没有就会按照类的全限定名来加载这个类。

    那么,加载阶段做了什么,其实加载阶段做了有三件事情:

    • 获取.class文件的二进制流
    • 将类信息、静态变量、字节码、常量这些.class文件中的内容放入方法区中
    • 在内存中生成一个代表这个.class文件的java.lang.Class对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口。一般这个Class是在堆里的,不过HotSpot虚拟机比较特殊,这个Class对象是放在方法区中的

    虚拟机规范对这三点的要求并不具体,因此虚拟机实现与具体应用的灵活度都是相当大的。例如条,根本没有指明二进制字节流要从哪里来、怎么来,因此单单就这一条,就能变出许多花样来:

    • 从zip包中获取,这就是以后jar、ear、war格式的基础
    • 从网络中获取,典型应用就是Applet
    • 运行时计算生成,典型应用就是动态代理技术
    • 由其他文件生成,典型应用就是JSP,即由JSP生成对应的.class文件
    • 从数据库中读取,这种场景比较少见

    总而言之,在类加载整个过程中,这部分是对于开发者来说可控性强的一个阶段。

    验证

    连接阶段的步,这一阶段的目的是为了确保.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的安全

    Java语言本身是相对安全的语言(相对C/C++来说),但是前面说过,.class文件未必要从Java源码编译而来,可以使用任何途径产生,甚至包括用十六进制编辑器直接编写来产生.class文件。在字节码语言层面上,Java代码至少从语义上是可以表达出来的。虚拟机如果不检查输入的字节流,对其完全信任的话,很可能会因为载入了有害的字节流而导致系统崩溃,所以验证是虚拟机对自身保护的一项重要工作。

    验证阶段将做一下几个工作,具体就不细讲了,这是虚拟机实现层面的问题:

    1、文件格式验证

    这个地方要说一点和开发者相关的。.class文件的第5~第8个字节表示的是该.class文件的主次版本号,验证的时候会对这4个字节做一个验证,高版本的JDK能向下兼容以前版本的.class文件,但不能运行以后的class文件,即使文件格式未发生任何变化,虚拟机也必须拒绝执行超过其版本号的.class文件。举个具体的例子,如果一段.java代码是在JDK1.6下编译的,那么JDK1.6、JDK1.7的环境能运行这个.java代码生成的.class文件,但是JDK1.5、JDK1.4乃更低的JDK版本是无法运行这个.java代码生成的.class文件的。如果运行,会抛出java.lang.UnsupportedClassVersionError,这个小细节,务必注意。

    2、元数据验证

    3、字节码验证

    4、符号引用验证

    准备

    准备阶段是正式为类变量分配内存并设置其初始值的阶段,这些变量所使用的内存都将在方法区中分配。关于这点,有两个地方注意一下:

    1、这时候进行内存分配的仅仅是类变量(被static修饰的变量),而不是实例变量,实例变量将会在对象实例化的时候随着对象一起分配在Java堆中

    2、这个阶段赋初始值的变量指的是那些不被final修饰的static变量,比如”public static int value = 123;”,value在准备阶段过后是0而不是123,给value赋值为123的动作将在初始化阶段才进行;比如”public static final int value = 123;”就不一样了,在准备阶段,虚拟机就会给value赋值为123。

    各个数据类型的零值如下图:

    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的过程。来了解一下符号引用和直接引用有什么区别:

    1、符号引用。

    这个其实是属于编译原理方面的概念,符号引用包括了下面三类常量:

    • 类和接口的全限定名
    • 字段的名称和描述符
    • 方法的名称和描述符

    这么说可能不太好理解,结合实际看一下,写一段很简单的代码:

    package com.xrq.test6;
    
    public class TestMain
    {
        private static int i;
        private double d;
        
        public static void print()
        {
            
        }
        
        private boolean trueOrFalse()
        {
            return false;
        }
    }

    用javap把这段代码的.class反编译一下:

    Constant pool:
       #1 = Class              #2             //  com/xrq/test6/TestMain
       #2 = Utf8               com/xrq/test6/TestMain
       #3 = Class              #4             //  java/lang/Object
       #4 = Utf8               java/lang/Object
       #5 = Utf8               i
       #6 = Utf8               I
       #7 = Utf8               d
       #8 = Utf8               D
       #9 = Utf8               <init>
      #10 = Utf8               ()V
      #11 = Utf8               Code
      #12 = Methodref          #3.#13         //  java/lang/Object."<init>":()V
      #13 = NameAndType        #9:#10         //  "<init>":()V
      #14 = Utf8               LineNumberTable
      #15 = Utf8               LocalVariableTable
      #16 = Utf8               this
      #17 = Utf8               Lcom/xrq/test6/TestMain;
      #18 = Utf8               print
      #19 = Utf8               trueOrFalse
      #20 = Utf8               ()Z
      #21 = Utf8               SourceFile
      #22 = Utf8               TestMain.java

    看到Constant Pool也就是常量池中有22项内容,其中带”Utf8″的就是符号引用。比如#2,它的值是”com/xrq/test6/TestMain”,表示的是这个类

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