JVM笔记 — 来,教你类加载子系统

类加载子系统

类文件首先需要经过类加载子系统,进行加载,进类信息等加载到运行时数据区,生成Klass的实例。

在类加载子系统中有以下3个阶段操作(广义上的加载):

  • 加载阶段
    • Bootstrap ClassLoader:引导类加载器,主要加载JDK里面的核心类
    • Extension ClassLoader:拓展类加载器
    • Application ClassLoader:应用加载器
  • 链接阶段
    • 验证
    • 链接
    • 解析
  • 初始化阶段


如果加载的时候失败了,则不会执行后面的链接等操作。

类加载子系统的作用:

  • 类加载器子系统可以从本地文件或者网络中加载Class文件,Class文件开头有特定标识“CAFEBABY”(魔数)。
  • 类加载器只负责将文件加载到运行时数据区,但是否可以运行,是执行引擎管的
  • 加载的类信息存放在方法区中,除了类信息以外,方法区还存放了运行时产量池信息,可能HIA包括字符串字面量和数字常量(这部分常量是Class文件中常量池部分的内存映射)。

譬如反编译后,会产生常量信息,里面包括常量以及符号引用等:

类加载器ClassLoader的角色,以下面的People.class为例:

通过类信息实例,可以通过new 实例化对象,也可以通过getClassLoader()获取类加载器,也可以通过实例getClass()获取类信息实例。

  1. People.class 存在本地硬盘上,相当于一个模板,最终可以实例化出n个同一个类但是属性不同的实例。
  2. People.class加载到JVM中,被称为DNA元数据模板,存放在方法区,也就是类信息。类信息也是对象。
  3. 从.class文件,到加载到JVM中,称为元数据模板,这个过程需要一个转换工具,这个工具就是类加载器(Class Loader)。

加载(Loading)

此处的加载,指的是类加载过程中的第一个阶段(环节),主要工作包括:

  • 1.通过类的全限定名获取定义此类的二进制字节流。
  • 2.将这个二进制字节流所代表的静态存储结构转化为方法区(JDK7以及之前叫永久代,JDK8之后成为元空间)的运行时数据结构。
  • 3.在内存中生成一个该类的java.lang.Class对象,作为方法区该类的各种数据的访问入口,也就是类信息对象。

类的.class文件来源方式包括以下:

  • 本地系统直接加载
  • 网络传输获取
  • 从zip压缩包读取
  • 运行的时候计算生成,譬如动态代理技术
  • 由其他文件生成,譬如场景:JSP
  • 从加密文件中解密获得

链接

链接阶段又分为3个阶段:

  • 验证:
    • 目的是校验安全和法,确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求,保证加载的类的正确性,不会危害到虚拟机的安全。
    • 主要包括4种验证:
      • 文件格式验证(譬如文件开头是”CAFEBABY”)
      • 元数据验证
      • 字节码验证
      • 符号引用验证
  • 准备:
    • 为类变量(static)分配内存并且设置该变量的默认初始值,即零值
    • 不包含final修饰的static,因为final在编译的时候已经分配了,准备阶段会显示初始化。
    • 不会为实例变量分配初始化,类变量会分配在方法区,但是实例变量是跟随对象一起分配在Java堆里面(一般情况)
  • 解析:
    • 将常量池的符号引用转化成为直接引用的过程
    • 事实上,解析操作往往会伴随JVM在执行完初始化之后再执行
    • 符号引用就是一组符号来描述所引用的目标,《Java虚拟机规范》的Class文件格式中,直接引用就是直接指向目标的指针,相对偏移量或者一个间接定位到目标的句柄。
    • 解析这个阶段,主要是针对类或者接口,字段,类方法,接口方法,方法类型等等,对应的常量池中的CONSTANT_Class_info,CONSTANT_Fieldred_info,CONSTANT_Methodref_info等。

初始化

初始化,就是执行类的构造器<clinit>()的过程,注意<clinit>()是类的构造器,不是对象的。<clinit>()是初始化类的,就是把类装到JVM里的初始化,不是运行时对象的初始化。

<clinit>()这个方法不需要显式定义,而是javac编译器自动收集类中的所有变量的赋值动作,加上静态代码块,合并成的一个方法。

<clinit>()中代码的顺序和我们在类文件写的顺序一致。

执行子类的<clinit>()方法之前,JVM会保证先执行其父类的<clinit>(),默认父类是Object

仔细观察上面的代码,会发现,final的属性,即使是static修饰的,在<clinit>()里面都不会存在,这是为什么呢?

这是因为final修饰的是常量,常量不会在初始化的时候执行赋值!!!常量在编译的时候已经分配了,准备阶段会显示初始化。

如果我们将final去掉,就可以发现,去掉final修饰,字节码就会加上该字段的赋值:(下面的ldc是指常量池的意思,从常量池编号为#6的地方,加载该常量)

虚拟机在初始化的时候,已经保证了类的<clinit>()方法,即使在多线程的环境下,也只会执行一次,其底层的逻辑就是默认同步加锁了。

【作者简介】
秦怀,公众号【秦怀杂货店】作者,技术之路不在一时,山高水长,纵使缓慢,驰而不息。个人写作方向:Java源码解析,JDBC,Mybatis,Spring,redis,分布式,剑指Offer,LeetCode等,认真写好每一篇文章,不喜欢标题党,不喜欢花里胡哨,大多写系列文章,不能保证我写的都完全正确,但是我保证所写的均经过实践或者查找资料。遗漏或者错误之处,还望指正。

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