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2021/12/23  阅读:36  主题:雁栖湖

类加载机制其实就做了一件事

笔者把java生态分为多个模块,本篇讲解jvm模块的类加载机制,学习jvm,就必须要知道类是怎么加载的,篇幅有点长,但是掌握本篇已经可以透彻了解类加载过程了。



假设有这样一个类

package com.manong.jvm;
public class Math {
    public static final int initData = 666;
    public static User user = new User();

    public int compute() {  
    //一个方法对应一块栈帧内存区域
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a + b) * 10;
        return c;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Math math = new Math();
        math.compute();
    }

以上面的类为例,直接来看这个类是怎么进入jvm,并运行的。

运行流程如下:

1.javac编译阶段,javac会把我们写的java文件编译成class类型文件.

2.Windows系统下java.exe调用底层的jvm.dll文件创建虚拟机.

3.虚拟机首先创建一个引导类加载器.

4.由引导类加载器加载sun.misc.Launcher类(启动器类),先看下这个类的源码:

//此源码只有相关的部分,并且省略了异常捕获相关的代码
public class Launcher {

  private static Launcher launcher = new Launcher();
  private ClassLoader loader;
  
  public static Launcher getLauncher() {
      return launcher;
  }
  
  public Launcher() {
   Launcher.ExtClassLoader var1;    
   var1=Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
   this.loader=Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);   
   Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);  
   }
   public ClassLoader getClassLoader() {
        return this.loader;
    }
}
  • 其中的静态变量保证加载完就生成了Launcher实例;
  • 其中的构造方法中最终生成了ExtClassLoader(扩展类加载器)和AppClassLoader(应用类加载器),并且把AppClassLoader赋值给Launcher实例的成员变量loader;
  • 提供getClassLoader成员方法,可以获取到成员变量loader;
  • 提供一个静态getLauncher方法获取当前生成的这个Launcher实例

5.调用Launcher实例的getClassLoader方法,获取应用类加载器开 始加载类,请注意,不管是加载什么类,这里都是用获取到应用类加载器去加载,利用内部的委派机制向上委派;

6.调用应用类加载器的loadClass方法,进入选择类加载器阶段;

7.调用上层的findClass方法,进入类加载环节;

8.加载完毕,开始执行代码;

注意:应用类加载器AppClassLoader和扩展类加载器ExtClassLoader其实都是Launcher类的一个内部类,可以自己去源码中看下


上面就是类加载到jvm并运行的过程,接下来我们重点了解下上面的第6、7 点

1第6点调用的方法主要是选择由哪个类加载器进行加载,讲到这里我们呢就先了解下jvm中的类加载器

Java中类加载器分类

  • 引导类加载器:负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的核心类库,比如rt.jar、charsets.jar等
  • 扩展类加载器:负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR类包
  • 应用程序类加载器:负责加载ClassPath路径下的类包,主要就是加载你自己写的那些类
  • 自定义加载器:负责加载用户自定义路径下的类包
public class TestJDKClassLoader {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());

        System.out.println();
        ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        ClassLoader extClassloader = appClassLoader.getParent();
        ClassLoader bootstrapLoader = extClassloader.getParent();
        System.out.println("the bootstrapLoader : " + bootstrapLoader);
        System.out.println("the extClassloader : " + extClassloader);
        System.out.println("the appClassLoader : " + appClassLoader);

        System.out.println();
        System.out.println("bootstrapLoader加载以下文件:");
        URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
            System.out.println(urls[i]);
        }

        System.out.println();
        System.out.println("extClassloader加载以下文件:");
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));

        System.out.println();
        System.out.println("appClassLoader加载以下文件:");
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));

    }
}

运行结果:
null
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader

the bootstrapLoader : null
the extClassloader : sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@3764951d
the appClassLoader : sun.misc.Launcher$AppClassLoader@14dad5dc

bootstrapLoader加载以下文件:
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/resources.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/rt.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jsse.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jce.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/charsets.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/lib/jfr.jar
file:/D:/dev/Java/jdk1.8.0_45/jre/classes

extClassloader加载以下文件:
D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext;C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

appClassLoader加载以下文件:
D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\charsets.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\deploy.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\cldrdata.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\dnsns.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\jaccess.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\jfxrt.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\localedata.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\nashorn.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunec.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\ext\zipfs.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\javaws.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jce.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jfr.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jfxswt.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\jsse.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\management-agent.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\plugin.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\resources.jar;D:\dev\Java\jdk1.8.0_45\jre\lib\rt.jar;D:\ideaProjects\project-all\target\classes;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\apache\zookeeper\zookeeper\3.4.12\zookeeper-3.4.12.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\slf4j\slf4j-api\1.7.25\slf4j-api-1.7.25.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\slf4j\slf4j-log4j12\1.7.25\slf4j-log4j12-1.7.25.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\log4j\log4j\1.2.17\log4j-1.2.17.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\jline\jline\0.9.94\jline-0.9.94.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\apache\yetus\audience-annotations\0.5.0\audience-annotations-0.5.0.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\io\netty\netty\3.10.6.Final\netty-3.10.6.Final.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\guava\guava\22.0\guava-22.0.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\code\findbugs\jsr305\1.3.9\jsr305-1.3.9.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\errorprone\error_prone_annotations\2.0.18\error_prone_annotations-2.0.18.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\com\google\j2objc\j2objc-annotations\1.1\j2objc-annotations-1.1.jar;C:\Users\zhuge\.m2\repository\org\codehaus\mojo\animal-sniffer-annotations\1.14\animal-sniffer-annotations-1.14.jar;D:\dev\IntelliJ IDEA 2018.3.2\lib\idea_rt.jar

上面的代码足以让你看清,每种类加载器加载的是哪个路径下的类。

双亲委派机制

上面的步骤中提过JVM默认使用Launcher的getClassLoader()方法返回的类加载器AppClassLoader的实例加载我们的应用程序,那么我们知道我们自己写的类是由AppClassLoader加载,这个没有问题,那一些类库中类怎么加载呢,这就要依托于双亲委派机制了。

加载某个类时会先委托父加载器寻找目标类,找不到再委托上层父加载器加载,如果所有父加载器在自己的加载类路径下都找不到目标类,则在自己的类加载路径中查找并载入目标类。 比如我们的Math类,最先会找应用程序类加载器加载,应用程序类加载器会先委托扩展类加载器加载,扩展类加载器再委托引导类加载器,顶层引导类加载器在自己的类加载路径里找了半天没找到Math类,则向下退回加载Math类的请求,扩展类加载器收到回复就自己加载,在自己的类加载路径里找了半天也没找到Math类,又向下退回Math类的加载请求给应用程序类加载器,应用程序类加载器于是在自己的类加载路径里找Math类,结果找到了就自己加载了。。 双亲委派机制说简单点就是,先找父亲加载,不行再由儿子自己加载

我们来看下应用程序类加载器AppClassLoader加载类的双亲委派机制源码,AppClassLoader的loadClass方法最终会调用其父类ClassLoader的loadClass方法,该方法的大体逻辑如下: 首先,检查一下指定名称的类是否已经加载过,如果加载过了,就不需要再加载,直接返回。 如果此类没有加载过,那么,再判断一下是否有父加载器;如果有父加载器,则由父加载器加载(即调用parent.loadClass(name, false);).或者是调用bootstrap类加载器来加载。 如果父加载器及bootstrap类加载器都没有找到指定的类,那么调用当前类加载器的findClass方法来完成类加载。

//ClassLoader的loadClass方法,里面实现了双亲委派机制
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 检查当前类加载器是否已经加载了该类
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {  //如果当前加载器父加载器不为空则委托父加载器加载该类
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {  //如果当前加载器父加载器为空则委托引导类加载器加载该类
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
            }

            if (c == null) {
                // If still not found, then invoke findClass in order
                // to find the class.
                long t1 = System.nanoTime();
                //都会调用URLClassLoader的findClass方法在加载器的类路径里查找并加载该类
                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) {  //不会执行
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }

为什么要设计双亲委派机制?

  • 沙箱安全机制:自己写的java.lang.String.class类不会被加载,这样便可以防止核心API库被随意篡改

  • 避免类的重复加载:当父亲已经加载了该类时,就没有必要在ClassLoader再加载一次,保证被加载类的唯一性

package java.lang;

public class String {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("**************My String Class**************");
    }
}

运行结果:
错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为......

全盘负责委托机制 “全盘负责”是指当一个ClassLoder装载一个类时,除非显示的使用另外一个ClassLoder,该类所依赖及引用的类也由这个ClassLoder载入。

破坏双亲委派模型

双亲委派模型并不是一个具有强制性约束的模型,而是Java设计者推荐给开发者们的类加载器实现方式。在Java的世界中大部分的类加载器都遵循这个模型,但也有例外的情况,直到Java模块化出现为止,双亲委派模型主要出现过3次较大规模“被破坏”的情况。

双亲委派模型的第一次“被破坏”其实发生在双亲委派模型出现之前——即JDK 1.2面世以前的“远古”时代。由于双亲委派模型在JDK 1.2之后才被引入,但是类加载器的概念和抽象类java.lang.ClassLoader则在Java的第一个版本中就已经存在,面对已经存在的用户自定义类加载器的代码,Java设计者们引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协,为了兼容这些已有代码,无法再以技术手段避免loadClass()被子类覆盖的可能性,只能在JDK 1.2之后的java.lang.ClassLoader中添加一个新的protected方法findClass(),并引导用户编写的类加载逻辑时尽可能去重写这个方法,而不是在loadClass()中编写代码。上节我们已经分析过loadClass()方法,双亲委派的具体逻辑就实现在这里面,按照loadClass()方法的逻辑,如果父类加载失败,会自动调用自己的findClass()方法来完成加载,这样既不影响用户按照自己的意愿去加载类,又可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的。

双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷导致的,双亲委派很好地解决了各个类加载器协作时基础类型的一致性问题(越基础的类由越上层的加载器进行加载),基础类型之所以被称为“基础”,是因为它们总是作为被用户代码继承、调用的API存在,但程序设计往往没有绝对不变的完美规则,如果有基础类型又要调用回用户的代码,那该怎么办呢?这并非是不可能出现的事情,一个典型的例子便是JNDI服务,JNDI现在已经是Java的标准服务,它的代码由启动类加载器来完成加载(在JDK 1.3时加入到rt.jar的),肯定属于Java中很基础的类型了。但JNDI存在的目的就是对资源进行查找和集中管理,它需要调用由其他厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI服务提供者接口(Service Provider Interface,SPI)的代码,现在问题来了,启动类加载器是绝不可能认识、加载这些代码的,那该怎么办?为了解决这个困境,Java的设计团队只好引入了一个不太优雅的设计:线程上下文类加载器(Thread Context ClassLoader)。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContext-ClassLoader()方法进行设置,如果创建线程时还未设置,它将会从父线程中继承一个,如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话,那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。有了线程上下文类加载器,程序就可以做一些“舞弊”的事情了。JNDI服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需的SPI服务代码,这是一种父类加载器去请求子类加载器完成类加载的行为,这种行为实际上是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器,已经违背了双亲委派模型的一般性原则,但也是无可奈何的事情。Java中涉及SPI的加载基本上都采用这种方式来完成,例如JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等。不过,当SPI的服务提供者多于一个的时候,代码就只能根据具体提供者的类型来硬编码判断,为了消除这种极不优雅的实现方式,在JDK 6时,JDK提供了java.util.ServiceLoader类,以META-INF/services中的配置信息,辅以责任链模式,这才算是给SPI的加载提供了一种相对合理的解决方案。

双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的,这里所说的“动态性”指的是一些非常“热”门的名词:代码热替换(Hot Swap)、模块热部署(Hot Deployment)等。说白了就是希望Java应用程序能像我们的电脑外设那样,接上鼠标、U盘,不用重启机器就能立即使用,鼠标有问题或要升级就换个鼠标,不用关机也不用重启。对于个人电脑来说,重启一次其实没有什么大不了的,但对于一些生产系统来说,关机重启一次可能就要被列为生产事故,这种情况下热部署就对软件开发者,尤其是大型系统或企业级软件开发者具有很大的吸引力。

虽然这里使用了“被破坏”这个词来形容上述不符合双亲委派模型原则的行为,但这里“被破坏”并不一定是带有贬义的。只要有明确的目的和充分的理由,突破旧有原则无疑是一种创新。正如OSGi中的类加载器的设计不符合传统的双亲委派的类加载器架构,且业界对其为了实现热部署而带来的额外的高复杂度还存在不少争议,但对这方面有了解的技术人员基本还是能达成一个共识,认为OSGi中对类加载器的运用是值得学习的,完全弄懂了OSGi的实现,就算是掌握了类加载器的精粹。

自定义类加载器示例: 自定义类加载器只需要继承 java.lang.ClassLoader 类,该类有两个核心方法:

  • 一个是loadClass(String, boolean),实现了双亲委派机制;
  • 一个方法是findClass,默认实现是空方法。

所以我们自定义类加载器主要是重写findClass方法,但是如果我们不想用双亲委派机制,其实可以通过重写loadClass实现。

public class MyClassLoaderTest {
    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;

        public MyClassLoader(String classPath) {
            this.classPath = classPath;
        }

        private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
            name = name.replaceAll("\\.""/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name
                    + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                //defineClass将一个字节数组转为Class对象,这个字节数组是class文件读取后最终的字节数组。
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }

    }

    public static void main(String args[]) throws Exception {
        //初始化自定义类加载器,会先初始化父类ClassLoader,其中会把自定义类加载器的父加载器设置为应用程序类加载器AppClassLoader
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
        //D盘创建 test/com/tuling/jvm 几级目录,将User类的复制类User1.class丢入该目录
        Class clazz = classLoader.loadClass("com.tuling.jvm.User1");
        Object obj = clazz.newInstance();
        Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
        method.invoke(obj, null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

运行结果:
=======自己的加载器加载类调用方法=======

打破双亲委派机制 再来一个沙箱安全机制示例,尝试打破双亲委派机制,用自定义类加载器加载我们自己实现的 java.lang.String.class

public class MyClassLoaderTest {
    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;

        public MyClassLoader(String classPath) {
            this.classPath = classPath;
        }

        private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
            name = name.replaceAll("\\.""/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name
                    + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;

        }

        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }

        /**
         * 重写类加载方法,实现自己的加载逻辑,不委派给双亲加载
         * @param name
         * @param resolve
         * @return
         * @throws ClassNotFoundException
         */
        protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
                throws ClassNotFoundException {
            synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
                // First, check if the class has already been loaded
                Class<?> c = findLoadedClass(name);

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);

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

    public static void main(String args[]) throws Exception {
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
        //尝试用自己改写类加载机制去加载自己写的java.lang.String.class
        Class clazz = classLoader.loadClass("java.lang.String");
        Object obj = clazz.newInstance();
        Method method= clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
        method.invoke(obj, null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

运行结果:
java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
 at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:659)

2第7点调用上层的findClass方法,进入类加载环节做了什么事情

在第六步中jvm只是为了找到将要加载类的类加载器,之后便要开始真正的加载逻辑,整个加载的过程如下图:

加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载

加载

加载是整个类加载过程的一个阶段,本阶段Java虚拟机规定需要完成以下三件事情。

  • 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
  • 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。
  • 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。

《Java虚拟机规范》对这三点要求其实并不是特别具体,留给虚拟机实现与Java应用的灵活度都是 相当大的。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”这条规则,它并没有指明二进制字节流必须得从某个Class文件中获取,确切地说是根本没有指明要从哪里获取、如何获取。仅仅这一点空隙,Java虚拟机的使用者们就可以在加载阶段搭构建出一个相当开放广阔的舞台,例如:

  • 从ZIP压缩包中读取,这很常见,最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。
  • 从网络中获取,这种场景最典型的应用就是Web Applet。
  • 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.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。
  • 由其他文件生成,典型场景是JSP应用,由JSP文件生成对应的Class文件。
  • 从数据库中读取,这种场景相对少见些,例如有些中间件服务器(如SAP Netweaver)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。
  • 可以从加密文件中获取,这是典型的防Class文件被反编译的保护措施,通过加载时解密Class文件来保障程序运行逻辑不被窥探。

相对于类加载过程的其他阶段,非数组类型的加载阶段(准确地说,是加载阶段中获取类的二进 制字节流的动作)是开发人员可控性最强的阶段。加载阶段既可以使用Java虚拟机里内置的引导类加 载器来完成,也可以由用户自定义的类加载器去完成,开发人员通过定义自己的类加载器去控制字节 流的获取方式(重写一个类加载器的findClass()或loadClass()方法),实现根据自己的想法来赋予应用 程序获取运行代码的动态性。

对于数组类而言,情况就有所不同,数组类本身不通过类加载器创建,它是由Java虚拟机直接在 内存中动态构造出来的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系,因为数组类的元素类型(Element Type,指的是数组去掉所有维度的类型)最终还是要靠类加载器来完成加载,一个数组类(下面简称 为C)创建过程遵循以下规则:

·如果数组的组件类型(Component Type,指的是数组去掉一个维度的类型,注意和前面的元素类 型区分开来)是引用类型,那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型,数组C将被标 识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上(这点很重要,在7.4节会介绍,一个类型必须与类加 载器一起确定唯一性)。 ·如果数组的组件类型不是引用类型(例如int[]数组的组件类型为int),Java虚拟机将会把数组C 标记为与引导类加载器关联。 ·数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致,如果组件类型不是引用类型,它的数组类的 可访问性将默认为public,可被所有的类和接口访问到。

加载阶段结束后,Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中 了,方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义,《Java虚拟机规范》未规定此区域的具体 数据结构。类型数据妥善安置在方法区之后,会在Java堆内存中实例化一个java.lang.Class类的对象, 这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口。 加载阶段与连接阶段的部分动作(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一部 分,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。

java本身是一个安全语言,使用java编写的代码不会出现像数组越界这样的错误。因为javac在编译的时候就会做很多相关的校验,诸如上面说的错误,在编译环节就已经被暴露出来,对于java语言编译的字节码文件对于虚拟机来说是安全的,但是我们知道java虚拟机是一个可以运行多种语言的平台,它接受任何语言编译成的字节码文件,上面加载阶段也讲了,字节码文件的来源比较多,字节码的合法性等也无法保证,Java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错误或有恶意企图的字节码流而导致整个系统受攻击甚至崩溃,所以验证字节码是Java虚拟机保护自身的一项必要措施。

验证阶段是非常重要的,这个阶段是否严谨,直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击,从代码量和耗费的执行性能的角度上讲,验证阶段的工作量在虚拟机的类加载过程中占了相当大的比重。但是早期版本的java虚拟机对这个阶段检查比较模糊和笼统,并未确切说明。直到第7版的java虚拟机规范才变的具体起来。规范中大体把此阶段分为4个动作进行校验:文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

1.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。这一阶段可能包括下面这些验证点:

  • 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。

实际上第一阶段的验证点还远不止这些,上面所列的只是从HotSpot虚拟机源码[1]中摘抄的一小部分内容,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之后,这段字节流才被允许进入Java虚拟机内存的方法区中进行存储,所以后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构上进行的,不会再直接读取、操作字节流了。

2.元数据验证 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,这个阶段可能包括的验证点如下:

  • 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)。

这个过程主要是对类的元数据信息进行语义校验,保证不存在与《Java语言规范》定义相悖的元数据信息。

3.字节码验证 第三阶段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分析和控制流分析,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校验完毕以后,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,例如:·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。

由于数据流分析和控制流分析的高度复杂性,Java虚拟机的设计团队为了避免过多的执行时间消耗在字节码验证阶段中,在JDK 6之后的Javac编译器和Java虚拟机里进行了一项联合优化,把尽可能多的校验辅助措施挪到Javac编译器里进行。具体做法是给方法体Code属性的属性表中新增加了一项名为“StackMapTable”的新属性,这项属性描述了方法体所有的基本块(Basic Block,指按照控制流拆分的代码块)开始时本地变量表和操作栈应有的状态,在字节码验证期间,Java虚拟机就不需要根据程序推导这些状态的合法性,只需要检查StackMapTable属性中的记录是否合法即可。这样就将字节码验证的类型推导转变为类型检查,从而节省了大量校验时间。理论上StackMapTable属性也存在错误或被篡改的可能,所以是否有可能在恶意篡改了Code属性的同时,也生成相应的StackMapTable属性来骗过虚拟机的类型校验,则是虚拟机设计者们需要仔细思考的问题。

JDK 6的HotSpot虚拟机中提供了-XX:-UseSplitVerifier选项来关闭掉这项优化,或者使用参数XX:+FailOverToOldVerifier要求在类型校验失败的时候退回到旧的类型推导方式进行校验。而到了JDK 7之后,尽管虚拟机中仍然保留着类型推导验证器的代码,但是对于主版本号大于50(对应JDK6)的Class文件,使用类型检查来完成数据流分析校验则是唯一的选择,不允许再退回到原来的类型推导的校验方式。

4.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[3]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。本阶段通常需要校验下列内容:

·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、方法的可访问性是否可被当前类访问。

符号引用验证的主要目的是确保解析行为能正常执行,如果无法通过符号引用验证,Java虚拟机将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError的子类异常,典型的如:java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

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、但却不是必须要执行的阶段,因为验证阶段只有通过或者不通过的差别,只要通过了验证,其后就对程序运行期没有任何影响了。如果程序运行的全部代码(包括自己编写的、第三方包中的、从外部加载的、动态生成的等所有代码)都已经被反复使用和验证过,在生产环境的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,从概念上讲,这些变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配,但必须注意到方法区 本身是一个逻辑上的区域,在JDK 7及之前,HotSpot使用永久代来实现方法区时,实现是完全符合这 种逻辑概念的;而在JDK 8及之后,类变量则会随着Class对象一起存放在Java堆中,这时候“类变量在 方法区”就完全是一种对逻辑概念的表述了,关于这部分内容,笔者已在4.3.1节介绍并且验证过。 关于准备阶段,还有两个容易产生混淆的概念笔者需要着重强调,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 ()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。

Java中所有基本数据类型的零值如下:

上面提到在“通常情况”下初始值是零值,那言外之意是相对的会有某些“特殊情况”:如果类字段 的字段属性表中存在ConstantValue属性,那在准备阶段变量值就会被初始化为ConstantValue属性所指定 的初始值,假设上面类变量value的定义修改为:

 public static final 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Con-stantValue的设置 将value赋值为123。

解析

解析阶段做的事情其实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

    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

    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。

java虚拟机什么时候开始解析?

《Java虚拟机规范》中只要求了在执行ane-warray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invoke-special、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、ldc2_w、multianewarray、new、putfield和putstatic这17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。

我们知道类加载过程中的这几个步骤,只要求发生的先后顺序,并未要求具体的放生时间,因此解析阶段可以发生在类加载器加载的阶段,也可以发生在字节码被使用的时候,而且jvm中类的加载本身就是懒加载。

java虚拟机对什么内容进行解析?

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这7类符号引用进行,分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CON-STANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_Dyna-mic_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info 8种常量类型,类似地,对方法或者字段的访问,也会在解析阶段中对它们的可访问性(public、protected、private、 )进行检查。

java虚拟机解析内容可否复用?

对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情,除invokedynamic指令以外,虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存,譬如在运行时直接引用常量池中的记录,并把常量标识为已解析状态,从而避免解析动作重复进行。无论是否真正执行了多次解析动作,Java虚拟机都需要保证的是在同一个实体中,如果一个符号引用之前已经被成功解析过,那么后续的引用解析请求就应当一直能够成功;同样地,如果第一次解析失败了,其他指令对这个符号的解析请求也应该收到相同的异常,哪怕这个请求的符号在后来已成功加载进Java虚拟机内存之中。不过对于invokedynamic指令,上面的规则就不成立了。当碰到某个前面已经由invokedynamic指令触发过解析的符号引用时,并不意味着这个解析结果对于其他invokedynamic指令也同样生效。因为invokedynamic指令的目的本来就是用于动态语言支持,它对应的引用称为“动态调用点限定符”,这里“动态”的含义是指必须等到程序实际运行到这条指令时,解析动作才能进行。相对地,其余可触发解析的指令都是“静态”的,可以在刚刚完成加载阶段,还没有开始执行代码时就提前进行解析。

初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤,之前介绍的几个类加载的动作里,除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外,其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段,Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码,将主导权移交给应用程序。

进行准备阶段时,变量已经赋过一次系统要求的初始零值,而在初始化阶段,则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。我们也可以从另外一种更直接的形式来表达:初始化阶段就是执行类构造器clinit方法的过程。clinit并不是程序员在Java代码中直接编写的方法,它是Javac编译器的自动生成物,但我们非常有必要了解这个方法具体是如何产生的,以及 clinit方法执行过程中各种可能会影响程序运行行为的细节,这部分比起其他类加载过程更贴近于普通的程序开发人员的实际工作。

clinit方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块(static{}块)中的语句合并产生的,编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的,静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量,定义在它之后的变量,在前面的静态语句块可以赋值,但是不能访问。

 public class Test { 
  static { 
  i = 0;
  // 给变量复制可以正常编译通过 
  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(即在虚拟机视角中的实例构造器init方法)不同,它不需要显式地调用父类构造器,Java虚拟机会保证在子类的clinit方法执行前,父类的clinit方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的clinit方法的类型肯定是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,下面代码中字段B的值将会是2而不是1。

static class Parent { 
  public static int A = 1; 
    static { 
      A = 2;
    } 
  }
  static class Sub extends Parent { 
    public static int B = A; 
  }
  
  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, 因为只有当父接口中定义的变量被使用时,父接口才会被初始化。此外,接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的clinit方法。

Java虚拟机必须保证一个类的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,那么只会有其中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,直到活动线程执行完毕clinit方法。如果在一个类的clinit方法中有耗时很长的操作,那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,如下面代码

 static class DeadLoopClass {

        static {
            // 如果不加上这个if语句,编译器将提示“Initializer does not complete normally” 并拒绝编译 
            if (true) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
                while (true) {
                }
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Runnable script = new Runnable() {
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "start");
                DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();
                System.out.println(Thread.currentThread() + " run over");
            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(script);
        Thread thread2 = new Thread(script);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

运行结果如下,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-0,5,main]init DeadLoopClass

3总结

上面是从整体上阐述了类加载的整个过程,重点是加载的每个阶段都不能少,存在先后顺序要求,但是具体执行时间不确定,需要注意的是类加载器在整个类加载过程中做的事情仅仅是“通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流”。

UNREMITTINGLY

2021/12/23  阅读:36  主题:雁栖湖

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