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深入理解java虚拟机(五)

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虚拟机类加载机制

代码编译的结果从本地机器码转变为字节码,是存储格式发展的一小步,确是编程语言发展的一大步。

概述

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,这就是虚拟机类加载机制

与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同,java语言中,类型的加载和连接过程都是在程序运行期间完成的,这样会在类加载时稍微增加一些性能开销,但是却能为java应用程序提供高度的灵活性,java中天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。例如,如果编写一个使用接口的应用程序,可以等到运行时再指定其实际的实现。

类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,整个生命周期包括:加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载七个阶段。其中验证、准备、解析三个部分统称为连接

解析阶段可以在初始化阶段之后在开始,这是为了支持Java语言的运行时绑定(动态绑定或晚期绑定)。

有且仅有四种情况需要对类进行初始化:

  1. 遇到newgetstaticputstaticinvokestatic4条字节码指令时

  2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用

  3. 当初始化一个类的时候,发现其父类还没进行初始化,则需要先触发其父类的初始化

  4. 虚拟机启动时,用户需要制定一个要执行的主类,虚拟机会先初始化这个主类

当一个类在初始化时,要求其父类全部都初始化过了,但是一个接口的初始化时,并不要求其父接口全部都完成了初始化,只有在真正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

类加载的过程

加载:加载阶段是类加载过程的一个阶段,需要完成三件事:

  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. 将字节流所代表的静态存储结构转化为方法去的运行时数据结构

  3. Java堆上生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这些数据的访问入口。

虚拟机规范对这三点要求实际并不具体,例如并没有指明二进制字节流要从一个Class文件中获取,可以从1.zip包中读取,这很常见,最终成为日后JAREAR WAR格式 2.从网络中获取,应用就是Applet  3.运行时计算生产,这种场景使用最多的就是动态代理技术,在java.lang.reflect.Proxy中,就是用ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生产*$Proxy的代理类的二进制字节流 4.由其他文件生成,典型场景:JSP应用  5.从数据库中读取,这种场景相对少见些,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完成代码在集群件的分发等等

相对于类加载过程的其他阶段,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)是开发期可控制行最强的阶段,因为加载阶段既可以使用系统提供的类加载器来完成,也可以由用户自定义的类加载器去完成,开发人员们可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式。加载阶段和连接阶段的部分内容是交叉进行的。

验证:验证是连接阶段的第一步,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。大致会完成四个阶段的校验过程:文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证

通过程序去校验程序逻辑是无法做到绝对准确的Halting Proglem

验证阶段对虚拟机的类加载机制来说,非常重要,但不一定是必要的。

准备:是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段,这些内存都将在方法区中进行分配。这个阶段有两个容易混淆的概念,首先这时侯进行内存分配仅包括类变量,而不包含实例变量,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。

通常情况下初始值是零值,如果类字段的字段属性中包含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

Public satic final int value = 123;

解析:是虚拟机常量池内的符号引用替换为直接引用的过程

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值,只要使用时能无歧义地定位到目标即可。与虚拟机实现的内存布局无关

直接引用:可以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。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的。虚拟机实现会根据需要来判断,到底是在类加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析,还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它。

解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口四类符号引用进行。

初始化:是类加载过程的最后一步,到初始化阶段,才真正开始执行类中定义的Java程序代码。准备阶段,变量已经赋过一次系统要求的初始值,而在初始化阶段,则是根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源,初始化阶段是执行类构造器方法的过程<clinit>()方法

<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中可以赋值。后面的不能访问。

<clinit>()方法与类的构造函数不同,它不需要显示调用父类构造器,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。

<clinit>()方法对于类或接口来说并不是必须的,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。只有当父接口中定义的变量被使用时,父接口才会被初始化。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和同步,如果多个线程同时去初始化一个类,只有一个线程会执行这个类的<clinit>()方法,其他线程需要阻塞。

类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现,以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块被称为“类加载器”。最初为满足Java Applet的需求被开发出来。但类加载器却在类层次划分、OSGI、热部署、代码加密等领域大放异彩。

类与类加载器:类加载器虽然只用于实现类的加载动作。对于任意一个类,都需要由加载它的加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性。比较两个类是否“相等”,只有这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义。

双亲委派模式:站在Java虚拟机的角度讲,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),这个类加载器使用C++语言实现,是虚拟机自身的一部分;另外一种就是所有其他的类加载器,这些类加载器都是由Java语言实现,独立于虚拟机外部,并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader

绝大部分Java程序都会使用到以下三种系统提供的类加载器

 

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中的,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的,并且虚拟机识别的类库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(Extension ClassLoader):这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的,或者被java.ext.dirs环境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):这个类加载器由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,所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径(ClassPath)上指定的类库,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。

我们的应用程序都是由这三种类加载器相互配合进行加载的,如果有必要,还可以加入自己定义的类加载器。类加载器之间的关系

启动类加载器ß扩展类加载器ß应用程序类加载器ß自定义类加载器

双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外,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实现,而是使用组合关系来复用父加载器的代码。

双亲委派模型的工作过程: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应该传送到顶层的启动类加载器中,只有当父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。

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系,有一个显而易见的好处就是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。

双亲委派模型实现非常简单,实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoaderloadClass()文件中。逻辑清晰:先检查是否被加载过,若没有加载则调用父加载器的loadClass()方法,若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载失败,则抛出ClassNotFoundException异常后,再调用自己的findClass()方法进行加载。

破坏双亲委派模型:并不是一个强制性的约束模型,而是Java设计者们推荐给开发者们的类加载器实现方式。

  1. 双亲委派模型的第一次破坏,类加载器和抽象类java.lang.ClassLoader在双亲委派模型之前已经存在,为了向前兼容,JDK1.2之后的java.lang.ClassLoader添加了一个新的protected方法findClass().

  2. 基础类调用回用户的代码。一个典型的例子便是JNDI服务,它的代码由启动类加载器去加载,但JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找,它需要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI接口提供者(SPI, Service Provider Interface)的代码,但启动类加载器不可能“认识”这些代码。为了解决这个问题,java设计团队只好引入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setContextClassLoader()方法进行设置,如果创建线程还未设置,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,那么这个类加载器默认就是应用程序加载器。有了上下文类加载器,JNDI服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需要的SPI代码,也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作。java中所有涉及SPI的加载动作基本上都采用这种方式,例如JNDIJDBCJCEJAXBJBI等。

  3. 由于用户对程序动态性的追求导致,这里的动态性指的是:代码热替换(HotSwap)、模块热部署(Hot Deployment)等,说白了就是希望应用程序能像我们的电脑外设那样,更换配件不用停机也不用重启。OSGI是当前业界“事实上”的Java模块化标准,而OSGI实现模块化热部署的关键则是它自定义的类加载器机制的实现。每一个程序库(OSGI中称为Bundle)都有一个自己的类加载器,当需要更换一个Bundle时,就把Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。

OSGI环境下,类加载器不再是双亲委派模型中的树状结构,而是进一步发展为网状结构。

OSGI中对类加载器的使用是值得学习的,弄懂了OSGI的实现,自然就明白了类加载器的精髓。

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