探索深入理解java虚拟机之虚拟机类加载机制（6）

虚拟机类加载机制

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。
在Java语言里面，类型的加载、连接（验证、准备、解析）和初始化过程都是在程序运行期间完成的。

1、 类加载的时机

类被加载到虚拟机内存中开始，到卸载为止，整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段。
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再初始化阶段之后再开始，这个是为了支持Java语言运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。


虚拟机规范规定有且只有5种情况必须立即对类进行初始化：（对一个类进行主动引用）
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包的方法对类进行反射调用的时候，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.当虚拟机启动时候，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JDK1.7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REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化


被动引用：
1.通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。
2.通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。
3.常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。


接口的初始化：接口在初始化时，并不要求其父接口全部完成类初始化，只有在正整使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。


2、类加载的过程
2.1 加载（从class获取字节流）
1)通过一个类的全限定名类获取定义此类的二进制字节流
2)将这字节流所代表的静态存储结构转化为方法区运行时数据结构
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


怎么获取二进制字节流？
1)从ZIP包中读取，这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础
2)从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Applet
3)运行时计算生成，这种常见使用得最多的就是动态代理技术
4)由其他文件生成，典型场景就是JSP应用
5)从数据库中读取，这种场景相对少一些（中间件服务器）


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。
数组类的创建过程遵循以下规则：
1)如果数组的组件类型(指的是数组去掉一个维度的类型)是引用类型，那就递归采用上面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
2)如果数组的组件类型不是引用类型(列如int[]组数)，Java虚拟机将会把数组C标识为与引导类加载器关联
3)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


2.2 验证（字节流验证安全性）
验证阶段会完成下面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：
1.是否以魔数oxCAFEBABE开头
2.主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内
3.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)
4.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
5.CONSTANT_Itf8_info 型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据
6.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


这个阶段的验证时基于二进制字节流进行的，只有通过类这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区进行存储，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
第二阶段的主要目的是对类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。
验证点：
1.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)
2.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）
3.如果这个类不是抽象类，是否实现类其父类或接口之中要求实现的所有方法
4.类中的字段、方法是否与父类产生矛盾(列如覆盖类父类的final字段,或者出现不符合规则的方法重载，列如方法参数都一致，但返回值类型却不同等)


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，主要目的似乎通过数据流和控制流分析，确定程序语言是合法的、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。


1.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，列如，列如在操作数栈放置类一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中
2.保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上
3.保证方法体中的类型转换时有效的，列如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这个是安全的，但是吧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。


4.符号引用验证
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。


1.符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到相对应的类
2.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
3.符号引用中的类、字段、方法的访问性是否可被当前类访问


对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是非常重要的，但是不一定必要（因为对程序运行期没有影响）的阶段。如果全部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。


2.3 准备(分配内存，初始化)
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，这些变量都在方法区中进行分配。
这个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，这里说的初始值通常下是数据类型的零值。


假设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，但是如果使用final修饰，则在这个阶段其初始值设置为123。


2.4解析（符号引用-->直接引用）
解析阶段是虚拟机将常量池内符号引用替换为直接引用的过程。


2.5 初始化
类的初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。
到了初始化阶段，才正真开始执行类中定义的Java程序代码(或者说是字节码)。


3、 类的加载器
3.1 双亲委派模型：
从虚拟机角度只存在两种不同的类加载器：启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），使用C++实现，是虚拟机自身的一部分。另一种是所有其他的类加载器，使用JAVA实现，独立于JVM，并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader。


启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），负责将存放在<JAVA+HOME>\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所制定的路径中的，并且是JVM识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，如果名字不符合，即使放在lib目录中也不会被加载），加载到虚拟机内存中，启动类加载器无法被JAVA程序直接引用。
扩展类加载器，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
应用程序类加载器（Application ClassLoader），由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般称它为系统类加载器。负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。



这张图表示类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation model）. 双亲委派模型要求除了顶层的启动加载类外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现，而是使用组合关系来复用父类加载器的代码。


3.2双亲委派模型的工作过程是：
如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都是应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。


3.3使用双亲委派模型这样做的好处就是：
Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object,它存放在rt.jar中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。
相反，如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个称为java.lang.object的类，并放在程序的ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。


就是保证某个范围的类一定是被某个类加载器所加载的，这就保证在程序中同一个类不会被不同的类加载器加载。这样做的一个主要的考量，就是从安全层面上，杜绝通过使用和JRE相同的类名冒充现有JRE的类达到替换的攻击方式。




每天努力一点，每天都在进步。