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虚拟机的类加载机制

2016-08-15 14:47|来源:未知 |作者:dnzg |点击:

1.概述

我们知道Class文件中描述的各种信息,最终都需要加载到虚拟机中之后才能被运行和使用。而虚拟机如何加载这些Class文件?Class文件中的信息进入到虚拟机后会发生什么变化?这些都是后面讲到的重点。

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。

与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同,在Java语言里面,类型的加载和连接都是在程序运行期间完成,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链接这个特点实现的。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。这种组装应用程序的方式广泛应用于Java程序之中。

2.类加载的实际

 

类从被加载到虚拟机内存开始,到卸载出内存为止,它的整个生命周期包括了: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,准备和解析三个部分统称为连接(Linking),这七个阶段的发生顺序如图:\

图7——1

图7——1中,加载,验证,准备,初始化,和卸载和五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语言运行时绑定(也称动态绑定或晚期绑定)。请注意这里写 的是按部就班地“开始”,而不是按部就班的“进行”或”完成“,因为这些阶段通常都是相互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或激活另外一个阶段。

什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段:加载。虚拟机规范中并没有进行强制约束,這点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段,虚拟机规范则是严格规定了有且只有四种情况必须立即对类进行”初始化“(而加载,验证,准备自然需要在此之前开始):

1)遇到new,getstatic,putstatic或invokestatic这四条字节码指令时,如果类没有进行过初始化,则需要先触发器初始化。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,已在编译器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。(备注:这里为避免疑惑,我们看下实例化和初始化:实例化:创建一个类的实例,也即一个对象。初始化:为各类成员赋予初始值)。

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。

对于这四种会触发类进行初始化的场景,虚拟机规范中使用了一个很强烈的限定语:“有且只有”,这四种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。除此之外所有引用类的方式,都不会触发初始化,称为被动引用。下面举三个例子来说明被动引用。

被动引用的例子之一:

/**
 * 被动使用类字段演示一:
 * 通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化
 */

 

 

public class Father extends grandPa{
	static{
		System.out.println("SuperClass init!");
	}
	public static int value=123;
}

public class Son extends Father {

	static{
		System.out.println("SubClassinit!");
	}

class Sign {
    public static void main(String[] args) {
//       
    	System.out.println(Son.value);
    	
    };

上述代码执行之后,只会输出“SuperClass init!”,而不会输出“SubClass init!”。对于静态字段,只有直接定义这个字段的类才会被初始化,因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段,只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。至于是否要触发子类的加载和验证,在虚拟机规范中并未明确规定,这点取决于虚拟机的具体实现。对于HotSpot虚拟机来说,可通过-XX:TraceClassLoading参数看到此操作会导致子类的加载。

 

被动引用的例子之二:

 

/**
 * 被动使用类字段演示二:
 * 通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化
 */
class Sign {
    public static void main(String[] args) {
//       
    	Father[] sca = new Father[10]; 	
    };

运行之后发现并没有输出“SuperClass init!”,说明并没有触发类Father的初始化阶段。但是这段代码里面触发了另外一个名为[Lorg.tarena.note.test.Father的类的初始化阶段,对于用户代码来说,这并不是一个合法的类名称,它是由虚拟机自动生成的,直接继承于Object的子类,创建动作由字节码指令newarray触发。

 

这个类代表了元素类型为Father的一维数组,数组中应有的属性和方法(用户可直接使用的只有被修饰为public的length属性和clone()方法)都实现在这个类里。java语言中对数组的访问比C/C++相对安全,因为这个类包装了数组元素的访问方法,而C/C++直接翻译为对数组指针的移动。在java语言中,当检查到发生数组越界时会抛出java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常。

/**
 * 被动使用类字段演示三:
 * 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中,本质上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
 */
public class Father extends grandPa{
	static{
		System.out.println("SuperClass init!");
	}
	public static final int value=123;
}

class Sign {
    public static void main(String[] args) {
//       
    	System.out.println(Father.value);
    };

上述代码运行之后,也没有输出“ConstClass init”,这是因为虽然在Java源码中引用了ConstClass类中的常量value,但是编译阶段将此常量的值“123”存储到了NotInitialization常量池中,对常量Father.value的引用实际都被转化为NotInitialization类对自身常量池的引用了。也就是说实际上NotInitialization的Class文件之中并没有Father类的符号引用入口,这两个类在编译为Class文件之后就不存在关系了。

 

接口的加载过程与类的加载过程稍有一些不同,针对接口需要做一些特殊说明:接口也有初始化过程,这点与类是一致的,上面的代码都是用静态语句块“static{}”来输出初始化信息的,而接口中不能使用“static{}”语句块,但编译器任然会为接口生成“()”类构造器,用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类真正有所却别的是前面讲到的四种“有且仅有”需要开始初始化场景中的第三种:当一个类在初始化时,要求其父类全部都已经初始化过了,但是一个接口在初始化时,并不要求其父接口全部都初始化,只有在真正使用到父接口的时候(如引用接口中的常量)才会初始化。

(责任编辑:dnzg)