深入理解java虚拟机第三版读书笔记08

以下是第七章 虚拟机类加载机制的内容

概述

Java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,这个过程被称作虚拟机的类加载机制。在Java语言里面,类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的,这种策略让Java语言进行提前编译会面临额外的困难,也会让类加载时稍微增加一些性能开销,但是却为Java应用提供了极高的扩展性和灵活性。

类加载的时机

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)。

深入理解java虚拟机第三版读书笔记08

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的,类型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语言的运行时绑定特性。

加载阶段并没有严格规定开始的时机,而有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”:
1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令
2. 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用
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。

这六种操作称为主动引用,其他引用称为被动引用,不会触发初始化。

接口的初始化稍有不同:对于第三点,接口只有真正用到父接口的时候才会使父接口初始化。

类加载的过程

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。

其中第一步自由度就很高,从ZIP压缩包中读取、从网络中获取、运行时计算生成等等。

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。

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(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(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将被标识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上。
  • 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,但加载阶段提前开始于连接阶段。

验证

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。

尽管Java代码编译时会拒绝编译一些致命错误,但字节码可以被轻易修改,字节码检查也是必不可少的。

文件格式验证

  • 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。
  • ……

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。

元数据验证

  • 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,保证不存在与《Java语言规范》定义相悖的元数据信息。

字节码验证

  • 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。

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,不会危害虚拟机安全。

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,这个转化动作在解析阶段中发生。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。

  • 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、\)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。

验证阶段不是必需的,如果程序运行使用的所有字节码都是安全的,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。(初始值指的是零值,类初始化阶段中调用类构造器方法才会对类变量赋值)

特殊情况:如果字段存在ConstantValue属性(声明为final,会在字段表的属性表中增加一项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。

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

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。

而符号引用只是能无歧义定位到目标的一套自定符号表述。

解析阶段发生的具体时间并未强制规定,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。

对同一个符号引用可以进行多次解析请求,虚拟机也可以缓存解析的结果,但对于invokedynamic指令不能缓存,执行到该条指令时才能解析,它对应的引用称为“动态调用点限定符”。

invokedynamic本是为了支持如JRuby、 Scala等动态语言,JDK8后Lambda表达式和接口的默认方法的底层也会用到invokedynamic。

类或接口的解析

将符号代表的类的全限定名交给当前类的类加载器来加载,如果是数组类型,则是加载它的数组元素类型,再由虚拟机生成对应的数组类型。

之后,验证当前类是否具有对该类的访问权限,若没有抛出异常java.lang.IllegalAccessError

字段解析

要解析一个未被解析过的字段符号引用,会先找到字段表中对应的所属类并解析。

  1. 如果该类本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段,则返回这个字段的直接引用,查找结束。
  2. 否则,如果该类实现了接口,将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口,如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段,则返回这个字段的直接引用,查找结束。
  3. 否则。如果该类不是java.lang.Object的话,将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类,如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段,则返回这个字段的直接引用,查找结束。
  4. 否则,查找失败,抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

如果查找过程成功返回了引用,将会对这个字段进行权限验证,如果发现不具备对字段的访问权限,将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

如果一个字段具有多义性(如果不严格按照顺序可能多种方式都能找到),javac可能会拒绝编译。

方法解析

方法解析也会先找到方法表中对应的所属类并解析。

  1. 类的方法和接口的方法符号引用的常量类型定义是分开的,如果发现该类是个接口的话,那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError 异常。
  2. 如果通过了第一步,在该类中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。
  3. 否则,在该类的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。
  4. 否则,在该类实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果存在匹配的方法,说明该类是一个抽象类,这时候查找结束,抛出 java.lang.AbstractMethodError异常。
  5. 否则,宣告方法查找失败,抛出java.lang.NoSuchMethodError

最后,如果查找过程成功返回了直接引用,将会对这个方法进行权限验证,如果发现不具备对此方法的访问权限,将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

接口方法解析

接口方法解析也会先找到方法表中对应的所属类并解析。

  1. 与类的方法解析相反,如果发现该类是个类而不是接口,那么就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
  2. 否则,在该接口中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。
  3. 否则,在该接口的父接口中递归查找,直到java.lang.Object类(接口方法的查找范围也会包括Object类中的方法)为止,看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法,如果有则返回这个方法的直接引用,查找结束。
  4. 如果多重继承多个父接口都有该方法,可能会返回其中一个方法的直接引用,在编译期间javac也可能拒绝编译。
  5. 否则,宣告方法查找失败,抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

JDK9模块化之后也可能抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

初始化

初始化阶段就是执行类构造器\()方法的过程。\()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。

\()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,顺序为出现的顺序。

Java虚拟机会保证在子类的\()方法执行前,父类的\()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的\()方法的类型肯定是java.lang.Object。

这个方法不是必需的,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\()方法。

在多线程环境下,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\()方法,其他线程都需要阻塞等待。

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