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Java 类加载机制 时间:2018-01-15     来源:Java类详解

1,类的加载

每个开发人员对java.lang.ClassNotFoundExcetpion这个异常肯定都不陌生,这背后就涉及到了java技术体系中的类加载。Java的类加载机制是技术体系中比较核心的部分,虽然和大部分开发人员直接打交道不多,但是对其背后的机理有一定理解有助于排查程序中出现的类加载失败等技术问题,对理解java虚拟机的连接模型和java语言的动态性都有很大帮助。

Java类

那么什么是类的加载?

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中,将其放在运行时数据区的方法区内,然后在堆区创建一个java.lang.Class对象,用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象,Class对象封装了类在方法区内的数据结构,并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

Java类加载机制

类加载器是 Java 语言的一个创新,也是 Java 语言流行的重要原因之一。它使得 Java 类可以被动态加载到 Java 虚拟机中并执行。类加载器从 JDK 1.0 就出现了,最初是为了满足 Java Applet 的需要而开发出来的。Java Applet 需要从远程下载 Java 类文件到浏览器中并执行。现在类加载器在 Web 容器和 OSGi 中得到了广泛的使用,而类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它,JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它,如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误,类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误(LinkageError错误)如果这个类一直没有被程序主动使用,那么类加载器就不会报告错误。

2,类的生命周期

类加载的过程中包括有加载,验证,准备,解析,初始化五个阶段。而需要注意的是在这五个阶段中,加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的,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开始,这是为了支持Java语言的运行时绑定(也成为动态绑定或晚期绑定)。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始,而不是按顺序进行或完成,因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的,通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

加载:查找并加载类的二进制数据

加载时类加载过程的第一个阶段,在加载阶段,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其定义的二进制字节流。(并没有指明要从一个Class文件中获取,可以从其他渠道,譬如:网络、动态生成、数据库等)

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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为对方法区中这些数据的访问入口。

相对于类加载的其他阶段而言,加载阶段(准确地说,是加载阶段获取类的二进制字节流的动作)是可控性最强的阶段,因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载,也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

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方法区之中,而且在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象,这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

而在加载阶段和连接阶段(Linking)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:前文咱们提到了连接阶段,而验证是连接阶段的第一步,就是为了确保被加载类的正确性即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。

验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作:

文件格式验证:验证字节流是否符合Class文件格式的规范;例如:是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。

元数据验证:对字节码描述的信息进行语义分析(注意:对比javac编译阶段的语义分析),以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求;例如:这个类是否有父类,除了java.lang.Object之外。

字节码验证: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。

符号引用验证:确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的,但不是必须的,它对程序运行期没有影响,如果所引用的类经过反复验证,那么可以考虑采用-Xverifynone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:为类的静态变量分配内存,并将其初始化为默认值

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。这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堆中。其次,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:

publicstaticint 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()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。

至于“特殊情况”是指:public static final int value=123,即当类字段的字段属性是ConstantValue时,会在准备阶段初始化为指定的值,所以标注为final之后,value的值在准备阶段初始化为123而非0.

解析:把类中的符号引用转换为直接引用

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,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。符号引用就是一组符号来描述目标,可以是任何字面量。

直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

初始化:为类的静态变量赋予正确的初始值,JVM负责对类进行初始化,主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式:

①声明类变量是指定初始值

②使用静态代码块为类变量指定初始值

JVM初始化步骤

1、假如这个类还没有被加载和连接,则程序先加载并连接该类

2、假如该类的直接父类还没有被初始化,则先初始化其直接父类

3、假如类中有初始化语句,则系统依次执行这些初始化语句

类初始化时机:只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化,类的主动使用包括以下六种:

– 创建类的实例,也就是new的方式

– 访问某个类或接口的静态变量,或者对该静态变量赋值

– 调用类的静态方法

– 反射(如Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”))

– 初始化某个类的子类,则其父类也会被初始化

– Java虚拟机启动时被标明为启动类的类(Java Test),直接使用java.exe命令来运行某个主类

结束生命周期:

•在如下几种情况下,Java虚拟机将结束生命周期

– 执行了System.exit()方法

– 程序正常执行结束

– 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止

– 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

以上就是类的一个简单的加载机制,当然其中包含有很多知识,大家需要了解的话,还需要去学习更深层的知识。建议可以去学习一下周志明先生著有的《深入理解java虚拟机》这本书。

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