Java类加载机制

所谓的类加载机制就是JVM使用类加载器将编译生成的Class文件动态加载到JVM的内存空间中,最终形成可以被JVM使用的Java类型。一般情况下,Java应用开发人员不需要直接同类加载器进行交互,Java虚拟机提供的默认类加载器就已经能够满足大多数情况了。但是,如果想要往更深方向延伸,如热修复或者热部署,了解Java类加载机制则是必经之路。本文所有示例都是基于JDK1.8.0_111,虚拟机版本Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM。

类加载的时机

类从被加载到内存中开始,直到被从内存中卸载为止,它的整个生命周期包括: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),这7个阶段的发生顺序如下图所示:

加载、验证、准备、初始化和卸载这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,而解析阶段则不一定:它在某些情况下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(也称为动态绑定或晚期绑定)。

实际上,什么时候开始执行类加载的第一个阶段:加载?这点Java虚拟机并没与强制约束,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5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)。这里的5中情况,通常被称为类的主动引用。除此之外,所有类引用的方式都不会触发类的初始化,称为被动引用。

主动引用的5种类型

  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。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是:使用new关键字实例化对象的时候、读取或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)的时候,以及调用一个类的静态方法的时候。
  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。但是一个接口在初始化时,并不要求其父接口全部都完成了初始化,只有在真正使用到父接口的时候(如引用接口中定义的常量)才会初始化。
  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。

被动应用示例

/**
 * 在父类中定义静态字段
 */
public class SuperClass {
	static {
		System.out.println("SuperClass init!");
	}
	public static int value = 123;
}
public class SubClass extends SuperClass {
	static {
		System.out.println("SubClass init!");
	}
}
public class MainTest {
	//非主动使用类的静态字段
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(SubClass.value);
	}
}

当我们在eclipse中配置-XX:+TraceClassLoading参数之后,这样在代码调用时会跟踪类的加载情况,部分输出结果如下:

...
[Loaded java.lang.Void from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_111\jre\lib\rt.jar]
[Loaded com.sunny.demo.SuperClass from file:/D:/workspace/java/002-class/bin/]
[Loaded com.sunny.demo.SubClass from file:/D:/workspace/java/002-class/bin/]
SuperClass init!
123
[Loaded java.lang.Shutdown from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_111\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Shutdown$Lock from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_111\jre\lib\rt.jar]

从输出结果“SuperClass init!”可以知道,这里虽然子类SubClass调用父类SuperClass的静态字段value,但是并不会触发子类SubClass初始化,而只是初始化了父类SuperClass。所以对于静态字段,只有直接定义这个字段的类才会被初始化。通过输出日志也可以知道在HotSpot虚拟机的实现中,子类虽然没有被初始化,但是已经被加载。

public class MainTest {
	// 通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化
	public static void main(String[] args) {
		SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
	}
}

在这里运行结果发现,代码并没有输出“SuperClass init”,通过创建一个初始化SuperClass类型的数组并不会让该类初始化。实际上这里仍然会触发一个类的初始化,只是这个类是由虚拟机自动生成的、直 接继承于java.lang.Object的子类,创建动作由字节码指令newarray触发。

public class ConstClass {
	
	static{
		System.out.println("ConstClass init!");
	}
	
	public static final String HELLO_WORLD="hello world";

}
/**
 * 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中,本质上并没有直接引用到定义常量的类,因此不会触发定义常量的类的初始化
 */
public class MainTest {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(ConstClass.HELLO_WORLD);
	}
}

这里在代码运行之后只是输出了"hello world",没有输出“ConstClass init!”。由于在编译阶段通过常量传播优化,编译器会将常量解析成调用类的本地拷贝。在示例中已经将HELLO_WORLD常量的一份拷贝存在了MainTest的常量池中,以后对常量HELLO_WORLD的引用实际上是引用了调用者本身MainTest常量池的常量,两者已经不存在关联关系了。

类加载的过程

加载

这里的加载只是类加载中的一个过程,更好理解的说法应该叫做装载。如果要加载一个类型,虚拟机必须要完成3件事情。

  1. 通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流。
  2. 解析这个二进制流为方法区的运行时数据结构。
  3. 创建一个该类的java.lang.Class对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

由于虚拟机并没有指明二进制字节流要从一个Class文件中获取,准确的说没有规定从哪里获取怎样获取,以下都是可能获取的方式之一:

  • 从本地文件系统加载一个Java class 文件。
  • 通过网络下载一个Java class文件。
  • 从ZIP、JAR、EAR、WAR格式的压缩文件中获取。
  • 运行时生成,JDK提供的动态代理技术,在java.lang.reflect.Proxy中,就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流。
  • 由数据库中读取或者其它文件生成,如JSP等等。

有了这些二进制的字节流文件后,就可以使用类加载器进行加载了。在加载阶段我们既可以使用系统提供的引导类加载器来完成,也可以由用户自定义的类加载器去完成,可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式(即重写一个类加载器的loadClass()方法)。Java有关类加载器的相关知识点在本文中不做过多叙述,后续另起一篇博文再做介绍。

加载阶段完成之后,JVM就会把二进制字节流就按照自己所需的格式存储在方法区之中。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象(并没有明确规定是在Java堆中,对于HotSpot虚拟机而言,Class对象比较特殊,它虽然是对象,但是存放在方法区里面)。

加载阶段与连接阶段的部分内容(如一部分字节码文件格式验证动作)是交叉进行的,加载阶段尚未完成,连接阶段可能已经开始,但这些夹在加载阶段之中进行的动作,仍然属于连接阶段的内容,这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。如Java类加载器在加载一个二进制文件时会执行一个checkName()的方法,用于校验文件是否为空或者是否是有效的二进制名称。

验证

验证是连接阶段的第一步,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。一般验证阶段会完成4个阶段的验证工作:文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

文件格式验证主要是验证字节流是否符合Class文件格式的规范,并且能被当前版本的虚拟机处理。如是否以魔术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等等。该验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内,格式上符合描述一个Java类型信息的要求。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的,只有通过了这个阶段的验证后,字节流才会进入内存的方法区中进行存储,所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的,不会再直接操作字节流。

元数据验证是对字节码描述的信息进行语义分析,以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求。如这个类是否有父类、是否继承了不允许被继承的类,类中的字段、方法是否与父类产生矛盾等等。该阶段主要目的是对类的元数据信息进行语义校验,保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息。

字节码验证是整个验证过程中最复杂的一个阶段,主要目的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。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后,这个阶段将对类的方法体进行校验分析,保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件。如保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作,例如不会出现类似这样的情况:在操作栈放置了一个int类型的数据,使用时却按long类型来加载入本地变量表中。

符号引用验证主要是在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候,这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生。符号引用验证的目的是确保解析动作能正常执行。

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。

准备

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,更容易理解的方式应该说是赋上默认值的阶段,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堆中。其次,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()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。

至于“特殊情况”是指:

public static final int value=123;

即当类字段的字段属性是ConstantValue时,会在准备阶段初始化为指定的值,所以标注为final之后,value的值在准备阶段初始化为123而非0。

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,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。

初始化

初始化阶段是类加载过程的最后一个阶段,这时候才真正开始执行类中定义的Java代码(或者说字节码)。在初始化阶段才真正为类变量赋上正确的初始值,前面已经说了,在准备阶段已经赋值过一次了,但是那时候都是默认值,如int是0、boolean型是false、引用类型默认是null,而到这里才开始执行代码中的赋值。

所有的类变量和静态代码块都会被Java编译器收集在一起,这个方法被称为类或者接口的初始化方法,该方法为<clinit>()方法,在初始化阶段可以说就是执行类构造器<clinit>()方法的过程。一般Java程序时无法调用<clinit>()方法的,这种方法执行被Java虚拟机调用。

类构造器<clinit>()方法是Java编译器在自动收集类变量和静态代码块过程中生成的,编译器收集的顺序是根据语句在源文件中出现的顺序所决定的,静态代码块中只能访问到定义在静态代码块之前的变量,定义在它之后的变量,在前面的静态代码块可以赋值,但是不能访问

public class MainTest {
	static {
		i = 0;// 给变量赋值可以正常编译通过
		System.out.print(i);// 这句编译器会提示"非法向前引用"
	}
	static int i = 1;
}

<clinit>()方法与类的构造函数(或者说实例构造器init()方法)不同,它不需要显式地调用父类构造器,虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前,父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。

由于父类的<clinit>()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,如下在代码中,字段B的值将会是2而不是1。

class Parent {
	public static int A = 1;
	static {
		A = 2;
	}
}
class Sub extends Parent {
	public static int B = A;
}
public class MainTest {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(Sub.B);
	}
}

<clinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的,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。

接口中不能使用静态语句块,但仍然有变量初始化的赋值操作,因此接口与类一样都会生成<clinit>()方法。但接口与类不同的是,执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()方法。只有当父接口中定义的变量使用时,父接口才会初始化。另外,接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>()方法。

虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁、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<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作,就可能造成多个进程阻塞,在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

public class MainTest {
	public static void main(String[] args) {
		Runnable script = new Runnable() {
			public void run() {
				System.out.println(Thread.currentThread() + " start");
				new DeadLoopClass();
				System.out.println(Thread.currentThread() + " run over");
			}
		};

		Thread thread1 = new Thread(script);
		Thread thread2 = new Thread(script);
		thread1.start();
		thread2.start();
	}
}

class DeadLoopClass {
	static {
		if (true) {
			System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
			while (true) {
			}
		}
	}
}

运行结果如下,即一条线程在死循环以模拟长时间操作,另外一条线程在阻塞等待。

Thread[Thread-0,5,main] start
Thread[Thread-1,5,main] start
Thread[Thread-1,5,main]init DeadLoopClass

需要注意的是,其他线程虽然会被阻塞,但如果执行<clinit>()方法的那条线程退出<clinit>()方法后,其他线程唤醒之后不会再次进入<clinit>()方法。同一个类加载器下,一个类型只会初始化一次。

class DeadLoopClass {
	static {
		System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
		try {
			TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

在使用javap进行反汇编时可以发现在反汇编之后代码并没有<clinit>()方法名称,实际上已经生成了,只是在输出时底层进行了一定的装饰,当是<clinit>()方法时就进行替换输出,更多可以参看 http://hllvm.group.iteye.com/group/topic/35224

public class com.sunny.demo.MainTest {
  public static final int VALUE;

  public static int value;

  static {};
    Code:
       0: bipush        10
       2: putstatic     #13                 // Field value:I
       5: bipush        20
       7: putstatic     #13                 // Field value:I
      10: return

  public com.sunny.demo.MainTest();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #18                 // Method java/lang/Object."":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: getstatic     #24                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: getstatic     #13                 // Field value:I
       6: invokevirtual #30                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
       9: new           #1                  // class com/sunny/demo/MainTest
      12: invokespecial #36                 // Method "":()V
      15: return
}

参考资料

深入理解Java虚拟机 第2版 周志明著

深入Java虚拟机 第2版 Bill Venners著

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