• 类加载-类的生命周期


      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:加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接(Linking),这7个阶段的发生顺序如下图所示。

      加载、验证、准备、初始化和卸载这5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)。注意,这里笔者写的是按部就班地“开始”,而不是按部就班地“进行”或“完成”,强调这点是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、激活另外一个阶段。 

    加载

      “加载”是“类加载”(Class Loading)过程的一个阶段,希望读者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3 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。

      虚拟机规范的这3 点要求其实并不算具体,因此虚拟机实现与具体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,它没有指明二进制字节流要从一个Class 文件中获取,准确地说是根本没有指明要从哪里获取、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:

    •   从ZIP 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,即由JSP 文件生成对应的Class 类。
    •   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。

      相对于类加载过程的其他阶段,一个非数组类的加载阶段(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,因为加载阶段既可以使用系统提供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,开发人员可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式(即重写一个类加载器的loadClass() 方法)。

      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 虚拟机直接创建的。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)最终是要靠类加载器去创建,一个数组类(下面简称为C)创建过程就遵循以下规则:

      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)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 将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识(这点很重要,在7. 4 节会介绍到,一个类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),Java 虚拟机将会把数组C 标记为与引导类加载器关联。

      数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致,如果组件类型不是引用类型,那数组类的可见性将默认为public。

      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。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象(并没有明确规定是在Java堆中,对于HotSpot虚拟机而言,Class对象比较特殊,它虽然是对象,但是存放在方法区里面),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。

      从整体上看,验证阶段大致上会完成下面4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。

    1. 文件格式验证
      第一阶段要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虚拟机处理范围之内。
    • 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UTF8 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,上面这些只是从HotSpot 虚拟机源码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后,字节流才会进入内存的方法区中进行存储,所以后面的3 个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的,不会再直接操作字节流。
     
    2. 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)。
    • ……
      第二阶段的主要目的是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。
     
    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做完校验后,这个阶段将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,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,例如不会出现类似这样的情况: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。
    • 保证跳转指令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。
    • ……
      如果一个类方法体的字节码没有通过字节码验证,那肯定是有问题的;但如果一个方法体通过了字节码验证,也不能说明其一定就是安全的。
      由于数据流验证的高复杂性,虚拟机设计团队为了避免过多的时间消耗在字节码验证阶段,在JDK 1. 6 之后的Javac 编译器和Java 虚拟机中进行了一项优化,给方法体的Code 属性的属性表中增加了一项名为" StackMapTable" 的属性,这项属性描述了方法体中所有的基本块(Basic Block,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,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。这样将字节码验证的类型推导转变为类型检查从而节省一些时间。
      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值得思考的问题。
      在JDK 1. 6 的HotSpot 虚拟机中提供了- XX:- UseSplitVerifier 选项来关闭这项优化,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。而在JDK 1. 7 之后,对于主版本号大于50 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做是对类自身以外(常量池中的各种符号引用)的信息进行匹配性校验,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以及简单名称所描述的方法和字段。
    • 符号引用中的类、字段、方法的访问性(private、protected、public、default)是否可被当前类访问。
    • ……
      符号引用验证的目的是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,如java. lang. IllegalAccessError、java. lang. NoSuchFieldError、java. lang. NoSuchMethodError 等。
      对于虚拟机的类加载机制来说,验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要(因为对程序运行期没有影响)的阶段。如果所运行的全部代码(包括自己编写的及第三方包中的代码)都已经被反复使用和验证过,那么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,这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。 对于类的静态变量而言,初始值指的是数据类型的零值。而对于静态常量而言,初始值即是声明静态常量时指定的值。
      
      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执行。

      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 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(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。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。直接引用是和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。

      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7类符号引用进行。

    初始化
      初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。
       <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所决定的,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;//给变量赋值可以正常编译通过 
            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(或者说实例构造器<init>()方法)不同,它不需要显式地调用父类的类构造器,虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行之前,父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类肯定是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。
      <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,也没有对类变量的赋值操作,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。只有在使用父接口中定义的变量时,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>()方法。
      虚拟机会保证一个类的<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<clinit>()方法完毕。
      
     
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