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JVM系列--虚拟机类加载机制

article 2025/2/23 1:27:57

概况

在 Class 文件中描述的各种信息，最终都需要加载到虚拟机中之后才能被运行和使用。而虚拟机如何加载这些 Class文件? Class 文件中的信息进入到虚拟机后会发生什么变化?这些都是本文要讲的内容。

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。与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同，在Java语言里面，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 中天生可以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。例如，如果编写一个使用接口的应用程序，可以等到运行时再指定其实际的实现。这种组装应用程序的方式广泛应用于Java 程序之中。

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括了:加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Loading)七个阶段。其中验证、准备和解析三个部分统称为连接(Linking)，这七个阶段的发生顺序如下图所示。

上图中，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: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)。请注意这里写的是按部就班地“开始”，而不是按部就班地“进行”或“完成”，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用或激活另外一个阶段。

什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段:加载。虚拟机规范中并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。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，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 包的方法对类进行发射调用的时候，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 main0)方法的那个类)，虚拟机会先初始化这个主类。

类的加载过程

加载

“加载”(Loading)阶段是“类加载”(Class Loading)过程的一个阶段，希望您没有混淆这两个看起来很相似的名词。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。

虚拟机规范的这三点要求实际上并不具体，因此虚拟机实现与具体应用的灵活度相当大。例如"通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流"，并没有指明二进制字节流要从一个类(Class)文件中获取，准确地说是根本没有指明要从哪里获取及怎样获取。虚拟机设计团队在加载阶段搭建了一个相当开放的、广阔的舞台，Java发展历程中，充满创造力的开发人员们则在这个舞台上玩出了各种花样，许多举足轻重的Java技术都建立在这一基础之上，例如:
口从 ZIP包中读取，这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。
口从网络中获取，这种场景最典型的应用就是小程序(Applet)。
口运行时计算生成，这种场景使用得最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect。代理(Proxy)中，就是用了Proxy Generator.generateProxy class来为特定接口生成*$Proxy的代理类的二进制字节流。
口由其他文件生成，典型场景:JSP应用。
口从数据库中读取，这种场景相对少见些，有些中间件服务器(如SAP网织器)可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。

相对于类加载过程的其他阶段，加载阶段(准确地说，是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作)是开发期可控性最强的阶段，因为加载阶段既可以使用系统提供的类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员们可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式。

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，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在Java堆中实例化一个java.lang.Class 类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。加载阶段与连接阶段的部分内容(如-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。

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。

Java语言本身是相对安全的语言(依然是相对于 C/C++ 来说)，使用纯粹的 Java 代码无法做到诸如访问数组边界以外的数据、将一个对象转型为它并未实现的类型、跳转到不存在的代码行之类的事情，如果这样做了，编译器将拒绝编译。但前面已经说过Class 文件并不一定要求用 Java 源码编译而来，可以使用任何途径，包括用十六进制编辑器直接编写来产生 Class 文件。在字节码的语言层面上，上述 Java 代码无法做到的事情都是可以实现的，至少语义上是可以表达出来的。虚拟机如果不检查输入的字节流对其完全信任的话，很可能会因为载入了有害的字节流而导致系统崩溃，所以验证是虚拟机对自身保护的一项重要工作。

尽管验证阶段是非常重要的，并且验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中占了很大一部分，但虚拟机规范对这个阶段的限制和指导显得非常笼统，仅仅说了一句如果验证到输入的字节流不符合 Class文件的存储格式，就抛出一个java.lang.VerifyError 异常或其子类异常，具体应当检査哪些方面，如何检查，何时检查，都没有强制要求或明确说明，所以不同的虚拟机对类验证的实现可能会有所不同，但大致上都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。

验证阶段对于虚拟机的类加载机制来说，是一个非常重要的、但不一定是必要的阶段。如果所运行的全部代码(包括自己写的、第三方包中的代码)都已经被反复使用和验证过，在实施阶段就可以考虑使用-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。

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，这些内存都将在方法区中进行分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先是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。其次是这里所说的初始值“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 <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被执行。

上面提到，在“通常情况”下初始值是零值，那相对的会有一些“特殊情况”: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，假设上面类变量 value 的定义变为:

public static fnal 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.

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，符号引用在前一章讲解 Class 文件格式的时候就已经出现过多次，在 Class 文件中它以CONSTANTClass info、CONSTANT Fieldref info、CONSTANT Methodref info 等类型的常量出现,那解析阶段中所说的直接引用与符号引用又有什么关联呢?

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。

虚拟机规范之中并未规定解析阶段发生的具体时间，只要求了在执行 anewarray、checkcast, getfield, getstatic, instanceof, invokeinterface、 invokespecial、 invokestatic.invokevirtual、multianewarray、new、putfield和putstatic 这13 个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用的符号引用进行解析。所以虚拟机实现会根据需要来判断，到底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它。