《深入理解Java虚拟机》读书笔记——虚拟机类加载机制

深入理解Java虚拟机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,这就是虚拟机的类加载机制。

与编译时需要进行连接工作的语言不同,Java语言中类型的加载和连接过程都是在程序运行期间完成的,这样会在类加载时稍微增加一些性能开销,但是却能为Java应用程序提供高度的灵活性,Java中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

类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,整个生命周期包括: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、准备和解析统称为连接(Linking)

《深入理解Java虚拟机》——04虚拟机类加载机制-01

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:某些情况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(动态绑定或晚期绑定)。

虚拟机规范中没有进行强制约束什么时候需要开始类加载过程的第一个阶段加载,但是对于初始化阶段,虚拟机规范则是严格规定了有且只有四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4条字节码指令时(使用new关键字实例化对象、读取或设置一个类的静态字段(被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外)、调用一个类的静态方法)。
  2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候。
  3. 当初始化一个类的时候,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),虚拟机会先初始化这个主类。

类加载的过程

加载(Loading)

在加载阶段,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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这些数据的访问入口。

验证(Verification)

验证是连接阶段的第一步,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。

大致会完成下面四个阶段的检验过程:文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

准备(Preparation)

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段,这些内存都将在方法区中进行分配。

假设一个类变量的定义为 public static int value = 123;,那么变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123,因为这时候尚未开始执行任何Java方法,而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后,存放于类构造器()方法之中。

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value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值,假设类变量value的定义为 public static final int value = 123;,编译时Javac会将为value生成ConstantValue属性,在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

解析(Resolution)

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。

  • 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已经加载到内存中。
  • 直接引用(Direct References):直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的,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内存中存在。

初始化(Initialization)

到了初始化阶段,才真正开始执行类中定义的Java程序代码(字节码)。

在准备阶段,变量已经赋过一次系统要求的初始值,而在初始化阶段,则是根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源,或者可以从另外一个角度来表达:初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。

类加载器

类加载器作用是通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流。

双亲委派模型

从Java虚拟机的角度,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),这个类加载器使用C++语言实现,是虚拟机自身的一部分;另外一种就是所有其他的类加载器,这些类加载器都由Java语言实现,独立于虚拟机外部,并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

从Java开发人员的角度,类加载器可划分更细,绝大部分Java程序都会使用到以下三种系统提供的类加载器:

  • 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):负责将存放在/lib目录中的,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的,并且是虚拟机识别的(仅按照文件名识别,如rt.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用。
  • 扩展类加载器(Extension ClassLoader):由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,它负责加载/lib/ext目录中的,或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库,开发者可以直接使用扩展类加载器。
  • 应用程序类加载器(Application ClassLoader):由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值,所以一般也称为系统类加载器。负责加载用户类路径(ClassPath)上所指定的类库,开发者可以直接使用这个类加载器,如果应用程序中没有自定义过自己的泪加载器,一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

应用程序都是由这三种类加载器互相配合进行加载的,如果有必要,还可以加入自己定义的类加载器。类加载器直接的关系:

《深入理解Java虚拟机》——04虚拟机类加载机制-02

类加载器之间的这种层次关系,成为类加载器的双亲委派模型(Parents Delegation Model)。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外,其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。

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顶层的启动类加载器中,只有当父类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,子类加载器才会尝试自己去加载。

使用双亲委派模型来组织类加载器直接的关系,有一个显而易见的好处就是Java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。例如类 java.lang.Object,它存放在rt.jar之中,无论哪一个类加载器要加载这个类,最终都是委派给启动类加载器进行加载,因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。

参考链接

http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17881581

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