一夜搞懂 | JVM 类加载机制

前言

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学习导图

一.为什么要学习类加载机制？

今天想跟大家唠嗑唠嗑 Java 的类加载机制，这是 Java 的一个很重要的创新点，曾经也是 Java 流行的重要原因之一。

Oracle 当初引入这个机制是为了满足 Java Applet 开发的需求， JVM 咬咬牙引入了 Java 类加载机制，后来的基于 Jvm 的动态部署，插件化开发包括大家热议的热修复，总之很多后来的技术都源于在 JVM 中引入了类加载器。

如今，类加载机制也在各个领域大放异彩，在面试中，由类加载机制所衍生出来各类面试题也层出不穷。

所以，我们要了解下类加载机制，为工作中或者是面试中实际的需要打好良好的基础。

二.核心知识点归纳

2.1 概述

Q1:JVM类加载机制定义：

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 ，最终形成可被虚拟机直接使用的 Java 类型的过程

Q2：特性

运行期类加载。即在 Java 语言里面，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序 运行期 完成的，从而通过牺牲一些性能开销来换取 Java 程序的高度灵活性

JVM 运行期动态加载+动态连接-> Java 的动态扩展特性

2.2 类加载的过程

类从被加载到虚拟机内存中开始、到卸载出内存为止，整个生命周期包括七个阶段：

• 加载

• 验证

• 准备

• 解析

• 初始化

• 使用

• 卸载

其中，验证、准备、解析这3个部分统称为 连接 ，流程如下图：

注意：

Java

想要了解 Java 动态绑定和静态绑定区别的话，可以看下这篇文章： 理解静态绑定与动态绑定

2.2.1 加载

Q1：任务

• 通过类的全限定名来获取定义此类的 二进制字节流 。如从 ZIP 包读取、从网络中获取、通过运行时计算生成、由其他文件生成、从数据库中读取等等途径......

想要详细了解类的全限定名的知识，可以看下这篇文章： 全限定名、简单名称和描述符是什么东西？

• 将该二进制字节流所代表的 静态存储结构 转化为 方法区 的 运行时数据结构 ，该数据存储数据结构由虚拟机实现自行定义
• 在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，它将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口

2.2.2 验证

• 是 连接 阶段的 第一步 ，且工作量在 JVM 类加载子系统中占了相当大的一部分
• 目的：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

由此可见，它能直接决定 JVM 能否承受恶意代码的攻击，因此验证阶段 很重要 ，但由于它对程序运行期没有影响，并 不一定必要 ，可以考虑使用 -Xverify：none 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。

• 检验过程包括下面四个阶段：

  A.文件格式验证：

  • 内容：验证 字节流是否符合 Class 文件格式的规范 、以及是否能被 当前版本的虚拟机处理

  • 目的：保证输入的 字节流 能正确地解析并存储于 方法区 之内，且格式上符合描述一个 Java 类型信息的要求。只有保证二进制字节流通过了该验证后，它才会进入内存的方法区中进行存储，所以 后续3个验证阶段全部是基于方法区 而不是字节流了

  • 例子：

    1. 是否以魔数 0xCAFEBABE 开头

    2. 主次版本号是否在 JVM 接受范围内

    3. 索引值是否有指向不存在/不符合类型的常量

       ......

  B.元数据验证：

  • 内容：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

  • 目的：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

  • 例子：

    1. 类是否有父类（除了 java.lang.Object 之外，所有类都应有父类）

    2. 父类是否继承了不允许被继承的类（ final 修饰的类）

    3. 如果该类不是抽象类，是否实现了其父类或接口中要求实现的所有方法

       ......

  ​ C.字节码验证：

  • 是验证过程中 最复杂 的一个阶段

  • 内容：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

  • 目的：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

  • 例子：

    1. 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“在操作数栈的数据类型中放置了 int 类型的数据，使用时却按 long 类型来载入本地变量表中”

    2. 保证任何跳转指令都不会跳转到方法体外的字节码指令上

       ......

  ​ D.符号引用验证：

  • 内容：对 类自身以外（如常量池中的各种符号引用）的信息 进行匹配性校验
  • 目的：确保解析 动作能正常执行 ，如果无法通过符号引用验证，那么将会抛出一个 java.lang.IncompatibleClassChangeError 异常的子类
  • 注意：该验证发生在虚拟机将 符号引用 转化为 直接引用 的时候，即『 解析 』阶段

2.2.3 准备

Q1：任务

• 为类变量（静态变量） 分配内存 ： 因为这里的变量是由方法区分配内存 的，所以 仅包括类变量 而不包括实例变量，后者将会在对象实例化时随着对象一起分配在 Java 堆中
• 设置类变量 初始值 ：通常情况下零值

2.2.4 解析

之前提过，解析阶段就是虚拟机将 常量池 内的 符号引用替换为直接引用 的过程

• 符号引用：以一组符号来描述所引用的目标

• 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
• 与虚拟机实现的内存布局无关，因为符号引用的字面量形式明确定义在 Java 虚拟机规范的 Class 文件格式中，所以即使各种虚拟机实现的内存布局不同，但是能接受符号引用都是一致的

• 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
• 与虚拟机实现的内存布局相关，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同

• 发生时间： JVM 会根据需要来判断，是在类被加载器 加载时 就对常量池中的符号引用进行解析，还是等到一个符号引用将要被 使用前 才去解析
• 解析动作：有七类符号及其对应在常量池的七种常量类型

• 类或接口 ( CONSTANT_Class_info )
• 字段 ( CONSTANT_Fieldref_info )
• 类方法 ( CONSTANT_Methodref_info )
• 接口方法 ( CONSTANT_InterfaceMethodref_info )
• 方法类型 ( CONSTANT_MethodType_info )
• 方法句柄 ( CONSTANT_MethodHandle_info )
• 调用点限定符 ( CONSTANT_InvokeDynamic_info )

举个例子，设当前代码所处的为类 D ，把一个从未解析过的 符号引用 N 解析为一个 类或接口 C 的直接引用 ，解析过程分三步：

• 若 C 不是数组类型： JVM 将会把代表 N 的全限定名传递给 D 类加载器去加载这个类 C 。在加载过程中，由于 元数据验证 、 字节码验证 的需要，又可能触发其他相关类的加载动作。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就宣告失败。
• 若 C 是数组类型且数组元素类型为对象： JVM 也会按照上述规则加载数组元素类型
• 若上述步骤无任何异常：此时 C 在 JVM 中已成为一个有效的类或接口，但在解析完成前还需进行 符号引用验证 ，来确认 D 是否具备对 C 的访问权限。如果发现不具备访问权限，将抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常

Q1:字段（成员变量/域）和属性有什么区别？

• 属性，是指对象的属性，对于 JavaBean 来说，是 getXXX 方法定义的
• 字段，是成员变量

class Person{
    private String mingzi;  //mingzi是字段，一般来说字段和属性是相同的，但是这个例子是特例
    public String getName(){  //name是属性
        return mingzi:
    }
    public void setName(){
        mingzi= "张三";
    }
}

2.2.5 初始化

• 是类加载过程的最后一步，会开始真正执行类中定义的 Java 代码。而之前的类加载过程中，除了在『 加载 』阶段用户应用程序可通过 自定义类加载器 参与之外， 其余阶段均由虚拟机主导和控制
• 与『准备』阶段的 区分 ：

clinit

clinit ：由编译器自动收集类中的所有 类变量（静态变量）的赋值动作 和静态语句块 static{} 中的语句合并产生

• 是 线程安全 的，在多线程环境中被正确地加锁、同步
• 对于类或接口来说是 非 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
• 接口与类不同的是 ，执行接口的 clinit 不需要先执行父接口 的 clinit ，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

想详细了解 clinit 以及其与 init 的区别的读者，可以看下这篇文章： 深入理解jvm--Java中init和clinit区别完全解析

• 在虚拟机规范中，规定了有且只有五种情况 必须立即 对类进行『 初始化 』：

• 遇到 new 、 getstatic 、 putstatic 或 invokestatic 这4条字节码指令时
• 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候
• 当初始化一个类的时候，若发现其父类还未进行初始化，需先触发其父类的初始化
• 在虚拟机启动时，需指定一个要执行的 主类 ，虚拟机会先初始化它
• 当使用 JDK1.7 的动态语言支持时，若一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果为 REF_getStatic 、 REF_putStatic 、 REF_invokeStatic 的方法句柄，且这个方法句柄所对应的类未进行初始化，需先触发其初始化。

2.3 类加载器&双亲委派模型

每个类加载器，都拥有一个独立的命名空间，它不仅用于加载类，还和这个类本身一起作为在 JVM 中的唯一标识。所以比较两个类是否相等，只要看它们是否由同一个 类加载器 加载，即使它们来源于同一个 Class 文件且被同一个 JVM 加载，只要加载它们的 类加载器不同，这两个类就必定不相等

2.3.1 类加载器

从 JVM 的角度，可将类加载器分为两种：

• 启动类加载器

• 由 C++ 语言实现，是虚拟机自身的一部分
• 负责加载存放在 ＜JAVA_HOME＞\lib 目录中、或被 -Xbootclasspath 参数所指定路径中的、且可被虚拟机识别的类库
• 无法被 Java 程序直接引用，如果自定义类加载器想要把加载请求委派给引导类加载器的话，可直接用 null 代替

• 其他类加载器：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 ，可被 Java 程序直接引用。常见几种：

• 扩展类加载器

  A.由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现

  B.负责加载 ＜JAVA_HOME＞\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

• 应用程序类加载器

  A.是 默认 的类加载器，是 ClassLoader#getSystemClassLoader() 的返回值，故又称为 系统类加载器

  B.由 sun.misc.Launcher$App-ClassLoader 实现

  C.负责加载用户类路径上所指定的类库

• 自定义类加载器：如果以上类加载起不能满足需求，可自定义

需要注意的是：虽然 数组类 不通过类加载器创建而是由 JVM 直接创建的，但仍与类加载器有密切关系，因为 数组类的元素类型最终还要靠类加载器去创建

2.3.2 双亲委派模型

• 定义：表示类加载器之间的层次关系
• 前提 ：除了顶层启动类加载器外， 其余类加载器都应当有自己的父类加载器 ，且它们之间关系一般不会以 继承 关系来实现，而是通过 组合 关系来复用父加载器的代码
• 工作过程 ：若一个类加载器收到了类加载的请求，它先会把这个请求 委派 给父类加载器，并向上传递，最终请求都传送到顶层的启动类加载器中。只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载
• 注意 ：不是一个强制性的约束模型，而是 Java 设计者推荐给开发者的一种类加载器实现方式
• 优点 ：类会随着它的类加载器一起具备带有 优先级 的层次关系，可保证 Java 程序的稳定运作；实现简单，所有实现代码都集中在 java.lang.ClassLoader的loadClass() 中

比如，某些类加载器要加载 java.lang.Object 类，最终都会委派给最顶端的启动类加载器去加载，这样 Object 类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。

相反，系统中将会出现多个不同的 Object 类， Java 类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱

三.课堂小测试

恭喜你！已经看完了前面的文章，相信你对 JVM 类加载机制已经有一定深度的了解，下面，进行一下课堂小测试，验证一下自己的学习成果吧！

Q1：类加载的全过程是怎样的？

Q2：什么是双亲委派模型？

Q3： String 类如何被加载的

上面问题的答案，在前文都提到过，如果还不能回答出来的话，建议回顾下前文

Q4：请你谈谈类加载过程，以 Person a = new Person()； 为例进行说明

这道题是在牛客的暑假实习 Tencent 一面的面筋上找的，附上标准答案： 类的加载过程，Person person = new Person();为例进行说明

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本文参考链接：

• 《深入理解 Java 虚拟机》第3版
• 理解静态绑定与动态绑定
• 全限定名、简单名称和描述符是什么东西？
• 要点提炼| 理解JVM之类加载机制
• 深入理解jvm--Java中init和clinit区别完全解析
• 2019校招Android面试题解1.0（下篇）
• 类的加载过程，Person person = new Person();为例进行说明
• 编译器和运行期
• 腾讯 暑期实习 安卓 一面二面三面 面经分享