java类的加载机制

Java
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2022-12-19
JVM内存结构
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一、什么是类的加载

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个 java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的 Class对象， Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError错误）如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。

类加载：将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，生成java.lang.Class对象。Class对象用来封装方法区内的数据结构。JVM规范允许类加载器预先加载类。使用时使用时才会报LinkageError错误

加载.class文件的方式

  • 从本地系统中直接加载
  • 通过网络下载.class文件
  • 从zip，jar等归档文件中加载.class文件
  • 从专有数据库中提取.class文件
  • 将Java源文件动态编译为.class文件

二、类的生命周期

类从被加载到JVM内存中开始到卸载出内存为止，生命周期分为7个阶段：加载-验证-准备-解析-初始化-使用-卸载。（或分为5个阶段，把 验证-准备-解析 分为连接阶段）

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1、加载

查找并加载类的二进制数据加载时类加载过程的第一个阶段，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其定义的二进制字节流。
  • 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Java堆中生成一个代表这个类的 java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。
相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段（准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。 加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个 java.lang.Class类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

2、验证（连接阶段的第一步）：确保被加载的类的正确性

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。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

  • 文件格式验证：*验证字节流是否符合Class文件格式的规范；*例如：是否以 0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
  • 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了 java.lang.Object之外。
  • 字节码验证：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。
  • 符号引用验证：确保解析动作能正确执行。
验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用 -Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

3、准备（连接阶段的第二步）：为类的 静态变量分配内存，并将其初始化为默认值

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分配。对于该阶段有以下几点需要注意：

  • 这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。
  • 这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

假设一个类变量的定义为： public static int value = 3；

那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为3的 publicstatic指令是在程序编译后，存放于类构造器 <clinit>（）方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。

  • 如果类字段的字段属性表中存在 ConstantValue属性，即同时被final和static修饰，那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstValue属性所指定的值。

假设上面的类变量value被定义为： public static final int value=3；

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3。我们可以理解为static final常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中

4、解析（连接阶段的第三步）：把类中的符号引用转换为直接引用

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，解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。

直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

5、初始化：为类的静态变量赋予正确的初始值

主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：
  • ①声明类变量是指定初始值
  • ②使用静态代码块为类变量指定初始值
JVM初始化步骤

1、假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类

2、假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类

3、假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句

类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种：
  • 创建类的实例，也就是new的方式
  • 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
  • 调用类的静态方法
  • 反射（如 Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)）
  • 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
  • Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（ JavaTest），直接使用 java.exe命令来运行某个主类

6、使用

7、结束生命周期
在如下几种情况下，Java虚拟机将结束生命周期
  • 执行了 System.exit()方法
  • 程序正常执行结束
  • 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
  • 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

三、类加载器

类加载器是负责将可能是网络上、也可能是磁盘上的class文件加载到内存中。并为其生成对应的java.lang.class对象。一旦一个类被载入JVM了，同一个类就不会被再次加载。

类加载器是负责将可能是网络上、也可能是磁盘上的class文件加载到内存中。并为其生成对应的java.lang.class对象。一旦一个类被载入JVM了，同一个类就不会被再次加载。那么怎样才算是同一个类？在JAVA中一个类用其全限定类名（包名和类名）作为其唯一标识，但是在JVM中，一个类用其全限定类名和其类加载器作为其唯一标识。也就是说，在JAVA中的同一个类，如果用不同的类加载器加载，则生成的class对象认为是不同的。

当JVM启动时，会形成由三个类加载器组成的初始类加载器层次结构

1、启动类加载器BootstrapClassLoader:

是嵌在JVM内核中的加载器，该加载器是用C++语言写的，主要负载加载JAVA_HOME/lib下的类库，启动类加载器无法被应用程序直接使用。

2、扩展类加载器Extension ClassLoader：

该加载器器是用JAVA编写，且它的父类加载器是Bootstrap，是由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现的，主要加载JAVA_HOME/lib/ext目录中的类库。开发者可以这几使用扩展类加载器。

3、系统类加载器App ClassLoader：

系统类加载器，也称为应用程序类加载器，负责加载应用程序classpath目录下的所有jar和class文件。它的父加载器为Ext ClassLoader。

上述三种类加载器的层次关系如下：

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注意：类加载器的体系并不是“继承”体系，而是委派体系，大多数类加载器首先会到自己的parent中查找类或者资源，如果找不到才会到自己本地查找。类加载器的委托行为动机是为了避免相同的类被加载多次。

四、双亲委派模型

如果一个类加载器收到了一个类加载请求，它不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求转交给父类加载器去完成。每一个层次的类加载器都是如此。因此所有的类加载请求都应该传递到最顶层的启动类加载器中，只有到父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求（在它的搜索范围没有找到这个类）时，子类加载器才会尝试自己去加载。委派的好处就是避免有些类被重复加载。

双亲委派模式优势
  • 采用双亲委派模式的是好处是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，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。
  • 其次是考虑到安全因素，java核心api中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Integer，而直接返回已加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。
  • 可能你会想，如果我们在classpath路径下自定义一个名为java.lang.SingleInterge类(该类是胡编的)呢？该类并不存在java.lang中，经过双亲委托模式，传递到启动类加载器中，由于父类加载器路径下并没有该类，所以不会加载，将反向委托给子类加载器加载，最终会通过系统类加载器加载该类。但是这样做是不允许，因为java.lang是核心API包，需要访问权限，强制加载将会报出如下异常
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