Java ClassLoader类加载机制（一）原理

2023年2月2日 152次阅读 来源: Android一亩良田

类加载的理论知识

翻了一下《深入理解Java虚拟机》这本书，类加载这块主要涉及到原理和真正的Class加载；
本篇算是个学习笔记，也可以直接去翻书，以下是类加载的总结内容;
下一篇会测试一下Class的加载以及ClassLoader的使用。

1. 类的生命周期

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）7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接（Linking）

2. 类什么时候初始化？

  1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
    • new :使用new关键字实例化对象的时候
    • getstatic:读取一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）
    • putstatic:设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）
    • invokestatic: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，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
  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() 方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
  5. 当使用JDK 1.7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REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

3. 加载阶段

  • 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；
  • 将二进制字节流按照虚拟机所需的格式储存在方法区中，转换为方法区的运行时的数据结构；
  • 在内存中实例化java.lang.Class类的对象，HotSpot是存在了方法区里面，并没有放在堆中，用于程序访问方法区中这些类型数据的外部接口；
  • 非数组类：可以使用系统提供的引导类加载器来完成，也可以自定义类加载器完成；
  • 数组类：数组类是有Java虚拟机直接创建的，但是数组的元数据是由是要靠类加载器去创建；

4. 验证阶段

  1. 文件格式验证
    • 是否是以魔数0xCAFEBABE开头；
    • 主次版本号是否在当前虚拟机处理范围内；
    • 检查常量池中是否有不支持的类型（检查常量tag标志）；
    • 指向常量的索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量；
    • 还有很多其他的信息要校验，例如Class文件是否被删除部分信息等；
  2. 元数据的校验（对字节码进行语义分析）
    • 是否有父类，除了java.lang.Object之外，都应有父类；
    • 是否继承了不允许继承的类（final修饰类）；
    • 如果不是抽象类，是否实现了父类或接口要求实现的方法；
    • 类中字段、方法是否与父类有冲突（final修饰的字段或方法）；
  3. 字节码验证
    • 主要是通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的；
    • 保证跳转指令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是有效的；
  4. 符号引用验证（可以看做是对类自身以外的的信息进行匹配性校验）
    • 符号引用通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类；
    • 在指定的类中是否存在符合方法的字段描述以及简单的名称所描述的方法和字段；
    • 符号引用主要是保证解析动作的正常执行
    • 校验通不过会抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类，如：java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError；

5. 准备阶段

  • 为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。
  • 这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），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，假设一个类变量的定义为：public static int value=123，那变量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＜clinit＞（）方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。假设上面类变量value的定义变为：public static final int value=123；编译时Javac将会为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。

6. 解析阶段

  • 解析阶段是将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程；
  • 解析主要是针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄、调用点限定符的解析；
  • 符号引用是用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；
  • 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的目标的句柄；

  1. 类或者接口解析
    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的引用，那虚拟机完成整个解析过程需要以下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。
    2. 如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型。
    3. 如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为了一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认D是否具有对C的访问权限。如果发现不具备访问权限，则抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

  2. 字段解析 首先解析字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用，也就是字段所属的类或接口的符号引用，如果解析完成，将这个字段所属的类或接口用C表示，虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索。

    1. 如果C 本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
    2. 否则，如果C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
    3. 否则，如果C 不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
    4. 否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。
    5. 如果查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常

  3. 类方法解析 首先解析类方法表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用，也就是方法所属的类或接口的符号引用，如果解析完成，将这个类方法所属的类或接口用C表示，虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续类方法的搜索。

    1. 类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class_index中索引的C 是个接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
    2. 如果通过了第一步，在类C 中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
    3. 否则，在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
    4. 否则，在类C实现的接口列表以及他们的父接口中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果存在相匹配的方法，说明类C是一个抽象类这时查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
    5. 否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。

  4. 接口方法解析 首先解析接口方法表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用，也就是方法所属的类或接口的符号引用，如果解析完成，将这个接口方法所属的接口用C表示，虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续接口方法的搜索。

    1. 与类解析方法不同，如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是个接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
    2. 否则，在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
    3. 否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类（查找范围包括Object类）为止，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
    4. 否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。

7. 初始化

  • 类初始化阶段是类加载过程的最后一步，到了这个阶段才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码）；
  • 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；
  • 初始化的过程是执行clinit()方法的过程；

主要有以下几点：

  1. 代码顺序决定初始化顺序和访问顺序
    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，而定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但不能访问，代码解释如下：
    public class Test {
    static {
        i = 0;//给变量赋值可以正常编译通过
        System.out.print(i);//编译器会提示“非法向前引用”
    }
    static int i = 1;
}
  2. 初始化方法执行的顺序 执行顺序可以参考：Java和Kotlin类的初始化顺序
    虚拟机会保证在子类的初始化方法执行之前，父类的初始化方法已经执行完毕，因此在虚拟机中第一个被执行的类初始化方法一定是java.lang.Object。另外，也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;
    //执行的结果。字段B的值将会是2而不是1。
static class Parent {
    public static int A = 1;
    static {
       A = 2;
    }
}

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

public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Sub.B);
}
  3. 接口不一定有<clinit>()方法
    clinit()方法对于类或接口来说并不是必须的，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<clinit>()方法;
  4. 接口与类初始化的异同
    • 接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的操作，因此接口与类一样都会生成clinit()方法；
    • 与类不同的是，执行接口的初始化方法之前，不需要先执行父接口的初始化方法；
    • 只有当父接口中定义的变量使用时，才会执行父接口的初始化方法；
    • 接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的clinit()方法；
  5. 类初始化线程同步
    虚拟机会保证一个类的clinit()方法在多线程环境中被正确的加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的clinit()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行类初始化方法完毕。

JVM 参数配置

  • -XX:+TraceClassLoading 打印类装载
    原文作者：Android一亩良田
    原文地址: https://www.jianshu.com/p/071874762b72
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