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JVM高级特性与最佳实践(第3版)--虚拟机类加载机制

Posted on 2025-06-13 14:47  草妖  阅读(5)  评论(0)    收藏  举报

定义

  Java虚拟机把描述类的数据Class文件加载到内存,并对数据进行校验转换解析初始化,最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型,这个过程被称作虚拟机的类加载机制。

生命周期

  一个类型从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,它的整个生命周期将会经历加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)七个阶段,其中验证、准备、解析三个部分统称为连接(Linking)。注:解析阶段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语言的运行时绑定特性(也称为动态绑定或晚期绑定)。

 

 

加载:

在加载阶段,Java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)在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

 

验证:

验证是连接阶段的第一步,这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求,保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作: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。这一阶段可能包括但不仅有这些验证点:是否以魔数0xCAFEBABE开头;主、次版本号是否在当前Java虚拟机接受范围之内;常量池的常量中是否有不被支持的常量类型(检查常量tag标志);指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量;CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF-8编码的数据;Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息;.......

  元数据验证第二阶段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。这一阶段可能包括但不仅有这些验证点:这个类是否有父类(除了java.lang.Object之外,所有的类都应当有父类);这个类的父类是否继承了不允许被继承的类(被final修饰的类);如果这个类不是抽象类,是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法;类中的字段、方法是否与父类产生矛盾(例如覆盖了父类的final字段,或者出现不符合规则的方 法重载,例如方法参数都一致,但返回值类型却不同等);.....

  字节码验证:主要目的是通过数据流分析和控制流分析,确定程序语义是合法的、符合逻辑的。这阶段就要对类的方法体(Class文件中的Code属性)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行为。这一阶段可能包括但不仅有这些验证点: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,例如不会出现类似于“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”这样的情况;保证任何跳转指令都不会跳转到方法体以外的字节码指令上;保证方法体中的类型转换总是有效的,例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型,这是安全的,但是把父类对象赋值给子类数据类型,甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个数据类型,则是危险和不合法的;....

  符号引用验证最后一个阶段的校验行为发生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。符号引用验证可以看作是对类自身以外(常量池中的各种符号引用)的各类信息进行匹配性校验,通俗来说就是,该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。这一阶段可能包括但不仅有这些验证点:符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类;在指定类中是否存在符合方法的字段描述符及简单名称所描述的方法和字段;符号引用中的类、字段、方法的可访问性(private、protected、public、<package>)是否可被当前类访问;……

 

准备:

准备阶段是正式为类中定义的变量(即静态变量,被static修饰的变量)分配内存并设置类变量初始值的阶段。注:

  首先是这时候进行内存分配的仅包括类变量,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; 那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123,因为这时尚未开始执行任何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的动作要到类的初始化阶段才会被执行。(另注:public static final int value = 123;不属于“通常情况”)

 解析:

解析阶段是Java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(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是已经加载到虚拟机内存当中的内容。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同,但是它们能接受的符号引用必须都是一致的,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。

  直接引用(Direct References):直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局直接相关的,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虚拟机的内存中存在。

 

初始化:

  对于初始化阶段,《Java虚拟机规范》则是严格规定了有且只有六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这四条字节码指令时,如果类型没有进行过初始化,则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型Java代码场景有:

    使用new关键字实例化对象的时候。

    读取或设置一个类型的静态字段(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。

    调用一个类型的静态方法的时候。

   2)使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候,如果类型没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。

  3)当初始化类的时候,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main()方法的那个类),虚拟机会先初始化这个主类。

  5)当使用JDK 7新加入的动态语言支持时,如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄,并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。

  6)当一个接口中定义了JDK 8新加入的默认方法(被default关键字修饰的接口方法)时,如果有这个接口的实现类发生了初始化,那该接口要在其之前被初始化。

 

待续。。。