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JVM系列——详解JVM类加载时机和过程_jvm类加载在什么时候堆开辟内存

作者：凡人多烦事01 | 2024-03-22 21:56:00

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jvm类加载在什么时候堆开辟内存

类加载时机

类加载生命周期

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）。

如下图所示：

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（也称为动态绑定或晚期绑定）。

注意写的是按部就班地“开始”，而不是按部就班地“进行”或按部就班地“完成”，强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，会在一个阶段执行的过程中调用、激活另一个阶段。

何时开始加载类

关于在什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段“加载”，《Java虚拟机规范》中并没有进行 强制约束。

但是对于初始化阶段，《Java虚拟机规范》 则是严格规定了有且只有六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，如果类型没有进行过初始 化，则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型Java代码场景有：
    1. 使用new关键字实例化对象的时候。
    2. 读取或设置一个类型的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外） 的时候。
    3. 调用一个类型的静态方法的。
  2. 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
  3. 当初始化类的时候，若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。

主动引用/被动应用

对于这六种会触发类型进行初始化的场景，《Java虚拟机规范》中使用了一个非常强烈的限定语 ——“有且只有”。

六种场景中的行为称为对一个类型进行主动引用。

除此之外，所有引用类型的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

类加载的过程

接下来我们会详细了解Java虚拟机中类加载的全过程，即加载、验证、准备、解析和初始化这五个阶段所执行的具体动作。

加载

“加载”（Loading）阶段是整个“类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段，希望读者没有混淆 这两个看起来很相似的名词。

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java.lang.Class对象来代表这个类，作为方法区这个类的各种数据的访问入 口。

这三点知识要求并非具体实现，因此在实现上有很大灵活性。

可以从何处获取类的二进制字节流

我们可以利用以下方式获取类的二进制字节流：

  1. 可以从class文件，zip压缩包，jar包，网络等等
  2. 运行时计算生成，这种场景使用得最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用 了ProxyGenerator.generateProxyClass()来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流。
  3. 由其他文件生成，典型场景是JSP应用。
  4. 从数据库中读取，这种场景相对少见些，例如有些中间件服务器（如SAP Netweaver）可以选择 把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。
  5. 从加密文件中获取，这是典型的防Class文件被反编译的保护措施，通过加载时解密Class文 件来保障程序运行逻辑不被窥探。

相对于类加载过程的其他阶段，非数组类型的加载阶段（准确地说，是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作）是开发人员可控性最强的阶段。

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。

数组类型的创建

数组类型比较特殊，因为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（ElementType，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：

  1. 如果数组的组件类型（Component Type，指的是数组去掉一个维度的类型，注意和前面的元素类型区分开来）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（这点很重要，一个类型必须与类加载器一起确定唯一性）。
  2. 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。
  3. 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。

方法区

加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义。

类型数据妥善安置在方法区之后，会在Java堆内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口。

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，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一部分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

验证

验证是连接阶段的第一步，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。

Java虚拟机如果不检查输入的字节流，对其完全信任的话，很可能会因为 载入了有错误或有恶意企图的字节码流而导致整个系统受攻击甚至崩溃，所以验证字节码是Java虚拟机保护自身的一项必要措施。

从代码量和耗费的执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载过程中占了相当大的比重。

文件格式验证

要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理

主要包括：

  • 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

目的：

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，只有通过该阶段验证之后，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。

所以后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构上进行的，不会再直接读取、操作字节流了。

元数据验证

主要是对字节码描述的信息进行语义分析，坚持是否符合规范

主要包括：

  • 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）。

字节码验证

整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要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。

第二阶段是元数据信息中的数据类型校验，之后本阶段就要对类的方法体（Class文件中的Code属性）进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。

  • 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“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

如果一个类型中有方法体的字节码没有通过字节码验证，那它肯定是有问题的；但如果一个方法 体通过了字节码验证，也仍然不能保证它一定就是安全的。

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。

这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生（所以只强调了各阶段的顺序只是开始的顺序）。

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。

本阶段通常需要校验下列内容：

  • 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、<package>）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。

验证阶段对于虚拟机的类加载机制来说，是一个非常重要的、但却不是必须要执行的阶段，因为 验证阶段只有通过或者不通过的差别，只要通过了验证，其后就对程序运行期没有任何影响了。

如果 程序运行的全部代码（包括自己编写的、第三方包中的、从外部加载的、动态生成的等所有代码）都 已经被反复使用和验证过，在生产环境的实施阶段就可以考虑使用-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

从概念上讲，这些变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配，但必须注意到方法区 本身是一个逻辑上的区域

在JDK 7及之前，HotSpot使用永久代来实现方法区时，实现是完全符合这 种逻辑概念的；而在JDK 8及之后，类变量则会随着Class对象一起存放在Java堆中，这时候“类变量在 方法区”就完全是一种对逻辑概念的表述了

关于准备阶段，还有两个容易产生混淆的概念笔者需要着重强调，首先是这时候进行内存分配的仅包括类变量，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Java堆中。其 次是这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。

数据类型

int

long

short

char

byte

boolean

float

double

reference

零值

0

0L

(short)0

'\u0000'

(byte)0

false

0.0f

0.0.d

null

然而：如果类字段的字段属性表中存在Constant Value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，比如：

public static final int value = 123;

编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据Con-stantValue的设置 将value赋值为123。

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

什么是符号引用&直接引用

符号引用（Symbolic References）：

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量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。

符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。

各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须都是一致的。

直接引用（Direct References）：

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。

对同一个符号引用进行多次解析请求是很常见的事情，除invokedynamic指令以外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存，譬如在运行时直接引用常量池中的记录，并把常量标识为已解析状态，从而避免解析动作重复进行。

注意：

Java虚拟机都需要保证的是在同一个实体中，如果一个符号引用之前已经被成功解析过，那么后续的引用解析请求就应当一直能够成功

同理，同样地，如果第一次解析失败了，其他指令对这个符号的解析请求也应该收到相同的异常，哪怕这个请求的符号在后来已成功加载进Java虚拟机内存之中。

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这7类符号引用进行。

分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CON-STANT_Fieldref_info、 CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、 CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_Dyna-mic_info和 CONSTANT_InvokeDynamic_info 8种常量类型

下面介绍前四种：

类或接口的解析

  1. 如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就将宣告失败。
  2. 如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类 似“[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第一点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成一个代表该数组维度和元 素的数组对象。
  3. 如果上面两步没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了， 但在解析完成前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。如果发现不具备访问权限， 将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

字段解析

要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。

如果解析成功完 成，那把这个字段所属的类或接口用C表示，然后按以下步骤进行：

  1. 如果C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，则直接返回该字段的直接引 用，查找结束
  2. 否则，如果在C中实现了接口，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，若找到则返回。
  3. 否则，如果C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，若找到则返回。
  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。

方法解析

方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也是需要先解析出方法表的class_index[4]项中索引的方 法所属的类或接口的符号引用，依然用C表示这个类：

  1. 由于Class文件格式中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，如果在类的方法表中发现class_index中索引的C是个接口的话，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError 异常。
  2. 若第一步通过，在类C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，在类C的父类中递归查找，如果有则返。
  4. 否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找，如果存在匹配的方法，说明类C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。

同样地，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

接口方法也是需要先解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引 用，依然用C表示这个接口，步骤如下：

  1. 与类的方法解析相反，如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口，那么就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
  2. 否则，在接口C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，在接口C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，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
  4. 对于规则3，由于Java的接口允许多重继承，如果C的不同父接口中存有多个简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，那将会从多个方法中返回其中一个并结束查找（不会报错？），《Java虚拟机规范》中并 没有进一步规则约束应该返回哪一个接口方法。
  5. 否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

在JDK 9之前，Java接口中的所有方法都默认是public的，也没有模块化的访问约束，所以不存在 访问权限的问题。而从JDK 9起，接口方法的访问也完全有可 能因访问权限控制而出现java.lang.IllegalAccessError异常。

初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤

直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。

<clinit>()方法

初始化阶段就是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

<clinit>()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。

但我们非常有必要了解这个方法具体是如何产生的，以及 <clinit>()方法执行过程中各种可能会影响程序运行行为的细节，这部分比起其他类加载过程更贴近于 普通的程序开发人员的实际工作。

·<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，静态语句块中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可以赋值，但是不能访问。

  1. public class Test { 
  2.     static { 
  3.         i = 0; // 给变量复制可以正常编译通过 
  4.         System.out.print(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用” }static int i = 1; 
  5.     }
  6. }

·<clinit>()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器<init>()方法）不同，它不需要显 式地调用父类构造器。

Java虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行前，父类的<clinit>()方法已经执行 完毕。

因此在Java虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类型肯定是java.lang.Object。

由于父类的<clinit>()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。

·<clinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的。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<clinit>()方法。

·Java虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁同步，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<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行完毕<clinit>()方法。

如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个进程阻塞[2]，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。如下所示：

  1. static class DeadLoopClass { 
  2.     static { 
  3.         // 如果不加上这个if语句，编译器将提示“Initializer does not complete normally” 并拒绝编译 
  4.         if (true) { 
  5.             System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
  6.             while (true) {
  7.             } 
  8.         } 
  9.     } 
  10. }
  11. public static void main(String[] args) { 
  12.     Runnable script = new Runnable() {
  13.         public void run() { 
  14.             System.out.println(Thread.currentThread() + "start"); 
  15.             DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass(); 
  16.             System.out.println(Thread.currentThread() + " run over"); 
  17.         } 
  18.     };
  19.     Thread thread1 = new Thread(script); 
  20.     Thread thread2 = new Thread(script); 
  21.     thread1.start(); 
  22.     thread2.start(); 
  23. }

运行结果如下，一条线程在死循环以模拟长时间操作，另外一条线程在阻塞等待：

Thread[Thread-0,5,main]start

Thread[Thread-1,5,main]start

Thread[Thread-0,5,main]init DeadLoopClass

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