jvm虛擬機類加載機制詳解

更新時間：2022年04月19日 15:00:11 作者：我的Coder小屋

本文主要介紹了 jvm虛擬機類加載機制詳解，文中通過示例代碼介紹的非常詳細，對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學習學習吧

1 概述

? Java虛擬機把描述類的數據從Class文件加載到內存，并對數據進行校驗、轉化解析和初始化，最終形成可以被虛擬機直接使用的Java類型，這個過程稱為虛擬機的類加載機制。在Java語言中，類型的加載、連接和初始化都是在程序運行期間完成的。

2 類的加載時機

? 一個類型從被加載到虛擬機內存中開始，到卸載出內存為止，它的整個生命周期將會經歷加載、驗證、準備、解析、初始化、使用和卸載七個階段，其中驗證、準備和解析三個部分統稱為連接。發(fā)生順序如下：

在這里插入圖片描述

? 《Java虛擬機規(guī)范》嚴格規(guī)定有且只有六種情況必須立即對類進行“初始化”（加載、驗證和準備自然需要在此之前開始）：

遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic這四條字節(jié)碼指令時，如果類型沒有進行初始化，則需要先觸發(fā)其初始化階段。能夠生成這四條指令的典型Java代碼場景有：
- 使用new關鍵字實例化對象的時候
- 讀取或設置一個類型的靜態(tài)字段的時候
- 調用一個類型的靜態(tài)方法的時候
使用java.lang.reflect包的方法對類型進行反射調用的時候，如果還沒被初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。
當初始化類的時候，如果發(fā)現其父類還沒進行過初始化，則需要先觸發(fā)其父類的初始化。
當虛擬機啟動時，用戶需要指定一個要執(zhí)行的主類。虛擬機會先初始化這個主類。
jdk1.7新加入的動態(tài)語言支持時。
當一個接口中定義了jdk8新加入的默認方法時。

? 這六種場景的行為稱為對一個類型進行主動引用。除此之外，所有引用類型的方式都不會觸發(fā)初始化，稱為被動引用。下面舉出被動引用的例子

示例1：通過子類引用父類的靜態(tài)字段，不會導致子類初始化

public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);  // 只會輸出“SuperClass init”，而不會輸出“subclass init”
        SuperClass[] superClasses = new SuperClass[10];  // 不會輸出“SuperClass init”
    }
}

class SuperClass {
    static {
        System.out.println("SuperClass init");
    }
    public static int value = 123;
}

class SubClass extends SuperClass {
    static {
        System.out.println("SubClass init!");
    }
}

示例2：常量在編譯階段會存入調用類的常量池中，本質上沒有直接引用到定義常量的類，因此不會觸發(fā)定義常量的初始化

public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);  // 不會輸出“ConstClass init!”，因為常量直接存儲到常量池中。
    }
}
class ConstClass {
    static {
        System.out.println("ConstClass init!");
    }

    public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}

class Test {
    static {
        i = 0;
    }
    static int i = 1;
}

3 類的加載過程

3.1 加載

? 在加載階段，虛擬機需要完成以下三件事情：

通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進制字節(jié)流。將這個字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲結構轉化為方法區(qū)的運行時數據結構。在內存中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象，作為方法區(qū)這個類的的各種數據的訪問入口。

3.2 驗證

? 驗證是連接階段的第一步，這一階段的目的是確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息符合《Java虛擬機規(guī)范》的約束要求，保證這些信息不會危害虛擬機自身。

3.3 準備

? 準備階段是正式為類中定義的變量（即靜態(tài)變量，被static修飾的變量）分配內存并設置類變量初始值的階段。

3.4 解析

? 解析階段是將常量池內的符號引用替換為直接引用的過程。

3.5 初始化

? 初始化是類加載過程的最后一個階段，直到初始化階段，Java虛擬機才真正開始執(zhí)行類中編寫的Java程序代碼，將主導權移交給應用程序。初始化階段就是執(zhí)行類構造器的()方法的過程。

()方法與類的構造函數不同，它不需要顯示地調用父類構造器，Java虛擬機會保證在子類的()方法執(zhí)行前，父類的()方法已經執(zhí)行完畢。因此在Java虛擬機中第一個被執(zhí)行的()方法肯定是Object。
由于父類的()方法先執(zhí)行，也就意味著父類中定義的靜態(tài)語句塊要優(yōu)先于子類的變量賦值操作，如下代碼：字段值將會是2而不是1。

public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Sub.B);
}

static class Parent {
    public static int A = 1;
    static {
        A = 2;
    }
}

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

4 類加載器

? 類加載器用于實現類的加載動作，JVM中內置了三個重要的ClassLoader，除了BootstrapClassLoader其他類加載器均由Java實現且全部繼承自java.lang.ClassLoader：

BootstrapClassLoader（啟動類加載器）：最頂層的加載類，負責加載%JAVA_HOME%/lib目錄下的jar包和類或者被-X:bootclasspathc參數指定的路徑下的所有類。
Extension Class Loader（擴展類加載器）：主要負責加載<JAVA_HOME>\lib\ext目錄中的所有類庫。
AppClassLoader（應用程序類加載器）：面向我們用戶的加載器，負責加載當前應用的classpath中的所有jar包和類。

4.1 雙親委派模型

在這里插入圖片描述

? 如上圖：雙親委派模型的工作流程是如果一個類加載器收到了類加載的請求，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把這個請求委派給父類加載器去完成，每一個層次的類加載器都是如此，因此所有的加載請求最終都應該傳送到最頂層的啟動類加載器中，只有當父加載器反饋自己無法完成這個加載請求時，子加載器才會嘗試自己去完成加載。

好處

Java中的類隨著它的類加載器一起具備了一種帶有優(yōu)先級的層次關系。

實現

private final ClassLoader parent; 
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先，檢查請求的類是否已經被加載過
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {//父加載器不為空，調用父加載器loadClass()方法處理
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {//父加載器為空，使用啟動類加載器 BootstrapClassLoader 加載
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                   //拋出異常說明父類加載器無法完成加載請求
                }
                
                if (c == null) {
                    long t1 = System.nanoTime();
                    //自己嘗試加載
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }