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03 Java虚拟机是如何加载Java类的?

听我的意大利同事说,他们那边有个习俗,就是父亲要帮儿子盖栋房子。

这事要放在以前还挺简单,亲朋好友搭把手,盖个小砖房就可以住人了。现在呢,整个过程要耗费好久的时间。首先你要请建筑师出个方案,然后去市政部门报备、验证,通过后才可以开始盖房子。盖好房子还要装修,之后才能住人。

盖房子这个事,和Java虚拟机中的类加载还是挺像的。从class文件到内存中的类,按先后顺序需要经过加载、链接以及初始化三大步骤。其中,链接过程中同样需要验证;而内存中的类没有经过初始化,同样不能使用。那么,是否所有的Java类都需要经过这几步呢?

我们知道Java语言的类型可以分为两大类:基本类型(primitive types)和引用类型(reference types)。在上一篇中,我已经详细介绍过了Java的基本类型,它们是由Java虚拟机预先定义好的。

至于另一大类引用类型,Java将其细分为四种:类、接口、数组类和泛型参数。由于泛型参数会在编译过程中被擦除(我会在专栏的第二部分详细介绍),因此Java虚拟机实际上只有前三种。在类、接口和数组类中,数组类是由Java虚拟机直接生成的,其他两种则有对应的字节流。

说到字节流,最常见的形式要属由Java编译器生成的class文件。除此之外,我们也可以在程序内部直接生成,或者从网络中获取(例如网页中内嵌的小程序Java applet)字节流。这些不同形式的字节流,都会被加载到Java虚拟机中,成为类或接口。为了叙述方便,下面我就用“类”来统称它们。

无论是直接生成的数组类,还是加载的类,Java虚拟机都需要对其进行链接和初始化。接下来,我会详细给你介绍一下每个步骤具体都在干些什么。

加载

加载,是指查找字节流,并且据此创建类的过程。前面提到,对于数组类来说,它并没有对应的字节流,而是由Java虚拟机直接生成的。对于其他的类来说,Java虚拟机则需要借助类加载器来完成查找字节流的过程。

以盖房子为例,村里的Tony要盖个房子,那么按照流程他得先找个建筑师,跟他说想要设计一个房型,比如说“一房、一厅、四卫”。你或许已经听出来了,这里的房型相当于类,而建筑师,就相当于类加载器。

村里有许多建筑师,他们等级森严,但有着共同的祖师爷,叫启动类加载器(bootstrap class loader)。启动类加载器是由C++实现的,没有对应的Java对象,因此在Java中只能用null来指代。换句话说,祖师爷不喜欢像Tony这样的小角色来打扰他,所以谁也没有祖师爷的联系方式。

除了启动类加载器之外,其他的类加载器都是java.lang.ClassLoader的子类,因此有对应的Java对象。这些类加载器需要先由另一个类加载器,比如说启动类加载器,加载至Java虚拟机中,方能执行类加载。

村里的建筑师有一个潜规则,就是接到单子自己不能着手干,得先给师傅过过目。师傅不接手的情况下,才能自己来。在Java虚拟机中,这个潜规则有个特别的名字,叫双亲委派模型。每当一个类加载器接收到加载请求时,它会先将请求转发给父类加载器。在父类加载器没有找到所请求的类的情况下,该类加载器才会尝试去加载。

在Java 9之前,启动类加载器负责加载最为基础、最为重要的类,比如存放在JRE的lib目录下jar包中的类(以及由虚拟机参数-Xbootclasspath指定的类)。除了启动类加载器之外,另外两个重要的类加载器是扩展类加载器(extension class loader)和应用类加载器(application class loader),均由Java核心类库提供。

扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。它负责加载相对次要、但又通用的类,比如存放在JRE的lib/ext目录下jar包中的类(以及由系统变量java.ext.dirs指定的类)。

应用类加载器的父类加载器则是扩展类加载器。它负责加载应用程序路径下的类。(这里的应用程序路径,便是指虚拟机参数-cp/-classpath、系统变量java.class.path或环境变量CLASSPATH所指定的路径。)默认情况下,应用程序中包含的类便是由应用类加载器加载的。

Java 9引入了模块系统,并且略微更改了上述的类加载器1。扩展类加载器被改名为平台类加载器(platform class loader)。Java SE中除了少数几个关键模块,比如说java.base 是由启动类加载器加载之外,其他的模块均由平台类加载器所加载。

除了由Java核心类库提供的类加载器外,我们还可以加入自定义的类加载器,来实现特殊的加载方式。举例来说,我们可以对class文件进行加密,加载时再利用自定义的类加载器对其解密。

除了加载功能之外,类加载器还提供了命名空间的作用。这个很好理解,打个比方,咱们这个村不讲究版权,如果你剽窃了另一个建筑师的设计作品,那么只要你标上自己的名字,这两个房型就是不同的。

在Java虚拟机中,类的唯一性是由类加载器实例以及类的全名一同确定的。即便是同一串字节流,经由不同的类加载器加载,也会得到两个不同的类。在大型应用中,我们往往借助这一特性,来运行同一个类的不同版本。

链接

链接,是指将创建成的类合并至Java虚拟机中,使之能够执行的过程。它可分为验证、准备以及解析三个阶段。

验证阶段的目的,在于确保被加载类能够满足Java虚拟机的约束条件。这就好比Tony需要将设计好的房型提交给市政部门审核。只有当审核通过,才能继续下面的建造工作。

通常而言,Java编译器生成的类文件必然满足Java虚拟机的约束条件。因此,这部分我留到讲解字节码注入时再详细介绍。

准备阶段的目的,则是为被加载类的静态字段分配内存。Java代码中对静态字段的具体初始化,则会在稍后的初始化阶段中进行。过了这个阶段,咱们算是盖好了毛坯房。虽然结构已经完整,但是在没有装修之前是不能住人的。

除了分配内存外,部分Java虚拟机还会在此阶段构造其他跟类层次相关的数据结构,比如说用来实现虚方法的动态绑定的方法表。

在class文件被加载至Java虚拟机之前,这个类无法知道其他类及其方法、字段所对应的具体地址,甚至不知道自己方法、字段的地址。因此,每当需要引用这些成员时,Java编译器会生成一个符号引用。在运行阶段,这个符号引用一般都能够无歧义地定位到具体目标上。

举例来说,对于一个方法调用,编译器会生成一个包含目标方法所在类的名字、目标方法的名字、接收参数类型以及返回值类型的符号引用,来指代所要调用的方法。

解析阶段的目的,正是将这些符号引用解析成为实际引用。如果符号引用指向一个未被加载的类,或者未被加载类的字段或方法,那么解析将触发这个类的加载(但未必触发这个类的链接以及初始化。)

如果将这段话放在盖房子的语境下,那么符号引用就好比“Tony的房子”这种说法,不管它存在不存在,我们都可以用这种说法来指代Tony的房子。实际引用则好比实际的通讯地址,如果我们想要与Tony通信,则需要启动盖房子的过程。

Java虚拟机规范并没有要求在链接过程中完成解析。它仅规定了:如果某些字节码使用了符号引用,那么在执行这些字节码之前,需要完成对这些符号引用的解析。

初始化

在Java代码中,如果要初始化一个静态字段,我们可以在声明时直接赋值,也可以在静态代码块中对其赋值。

如果直接赋值的静态字段被final所修饰,并且它的类型是基本类型或字符串时,那么该字段便会被Java编译器标记成常量值(ConstantValue),其初始化直接由Java虚拟机完成。除此之外的直接赋值操作,以及所有静态代码块中的代码,则会被Java编译器置于同一方法中,并把它命名为< clinit >。

类加载的最后一步是初始化,便是为标记为常量值的字段赋值,以及执行< clinit >方法的过程。Java虚拟机会通过加锁来确保类的< clinit >方法仅被执行一次。

只有当初始化完成之后,类才正式成为可执行的状态。这放在我们盖房子的例子中就是,只有当房子装修过后,Tony才能真正地住进去。

那么,类的初始化何时会被触发呢?JVM规范枚举了下述多种触发情况:

  1. 当虚拟机启动时,初始化用户指定的主类;
  2. 当遇到用以新建目标类实例的new指令时,初始化new指令的目标类;
  3. 当遇到调用静态方法的指令时,初始化该静态方法所在的类;
  4. 当遇到访问静态字段的指令时,初始化该静态字段所在的类;
  5. 子类的初始化会触发父类的初始化;
  6. 如果一个接口定义了default方法,那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化,会触发该接口的初始化;
  7. 使用反射API对某个类进行反射调用时,初始化这个类;
  8. 当初次调用MethodHandle实例时,初始化该MethodHandle指向的方法所在的类。
public class Singleton {
  private Singleton() {}
  private static class LazyHolder {
    static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
  }
  public static Singleton getInstance() {
    return LazyHolder.INSTANCE;
  }
}

我在文章中贴了一段代码,这段代码是在著名的单例延迟初始化例子中2,只有当调用Singleton.getInstance时,程序才会访问LazyHolder.INSTANCE,才会触发对LazyHolder的初始化(对应第4种情况),继而新建一个Singleton的实例。

由于类初始化是线程安全的,并且仅被执行一次,因此程序可以确保多线程环境下有且仅有一个Singleton实例。

总结与实践

今天我介绍了Java虚拟机将字节流转化为Java类的过程。这个过程可分为加载、链接以及初始化三大步骤。

加载是指查找字节流,并且据此创建类的过程。加载需要借助类加载器,在Java虚拟机中,类加载器使用了双亲委派模型,即接收到加载请求时,会先将请求转发给父类加载器。

链接,是指将创建成的类合并至Java虚拟机中,使之能够执行的过程。链接还分验证、准备和解析三个阶段。其中,解析阶段为非必须的。

初始化,则是为标记为常量值的字段赋值,以及执行< clinit >方法的过程。类的初始化仅会被执行一次,这个特性被用来实现单例的延迟初始化。

今天的实践环节,你可以来验证一下本篇中的理论知识。

通过JVM参数-verbose:class来打印类加载的先后顺序,并且在LazyHolder的初始化方法中打印特定字样。在命令行中运行下述指令(不包含提示符$):

$ echo '
public class Singleton {
  private Singleton() {}
  private static class LazyHolder {
    static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    static {
      System.out.println("LazyHolder.<clinit>");
    }
  }
  public static Object getInstance(boolean flag) {
    if (flag) return new LazyHolder[2];
    return LazyHolder.INSTANCE;
  }
  public static void main(String[] args) {
    getInstance(true);
    System.out.println("----");
    getInstance(false);
  }
}' > Singleton.java
$ javac Singleton.java
$ java -verbose:class Singleton

问题1:新建数组(第11行)会导致LazyHolder的加载吗?会导致它的初始化吗?

在命令行中运行下述指令(不包含提示符$):

$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jdis.Main Singleton\$LazyHolder.class > Singleton\$LazyHolder.jasm.1
$ awk 'NR==1,/stack 1/{sub(/stack 1/, "stack 0")} 1' Singleton\$LazyHolder.jasm.1 > Singleton\$LazyHolder.jasm
$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jasm.Main Singleton\$LazyHolder.jasm
$ java -verbose:class Singleton

问题2:新建数组会导致LazyHolder的链接吗?

精选留言(15)
  • 笨鸟 👍(114) 💬(5)

    1.虚拟机必须知道(加载)有这个类,才能创建这个类的数组(容器),但是这个类并没有被使用到(没有达到初始化的条件),所以不会初始化。 2.新建数组的时候并不是要使用这个类(只是定义了放这个类的容器),所以不会被链接,调用getInstance(false)的时候约等于告诉虚拟机,我要使用这个类了,你把这个类造好(链接),然后把static修饰的字符赋予变量(初始化)。 老师看看理解对不对,指点一下。

    2018-10-18

  • 曲东方 👍(95) 💬(4)

    1. 新建数组会加载元素类LazyHolder;不会初始化元素类 2. 新建数组不会链接元素类LazyHolder;在getInstance(false)时才真正链接和初始化 ----------------- 链接的第一步:验证字节码,awk把字节码改为不符合jvm规范 初始化调用<clinit>(即class init) PS:好像二个问题包含了第一个问题的答案

    2018-07-25

  • mover 👍(46) 💬(2)

    到目前为止,讲解的内容没有超出周志明老师的 深入理解JAVA虚拟机这本书的内容,老师可以讲解的更深入一点吗?可以介绍一下类加载后在meta区的大概布局吗?class类对象与meta区的类数据结构是什么关系?当我们创建类,使用类时,类实例,类对象,meta区类数据结构是如何交互的?

    2018-07-25

  • 韩恩同 👍(30) 💬(3)

    忍着瞌睡把内容看完了。 全是复习了一遍。 作者对 类加载中的 链接(验证、准备、解析)讲解不太到位吧? 另外,对一个的初始化发生在第一次主动使用该类时,作者列出的几种情况都属于主动使用类。感觉应该有被动使用的举例,并告知大家这样做是不会执行初始化的。

    2018-07-27

  • conce2018 👍(28) 💬(7)

    为什么叫双亲委派呀,明明只给了父类加载应该是单亲呀

    2018-09-25

  • 熊猫酒仙 👍(20) 💬(5)

    有几个疑问,请老师指点迷津。 1.扩展类加载器的父类,是启动类加载器,而后者是C++实现的,java继承C++的类?不大能理解。 2.虚方法的概念在C++中有了解过,java中的虚方法该如何定义呢?以前没接触过java虚方法的概念 3.我以前的理解是,有一个零值(0/null)初始化,针对于类的静态成员变量,如果是final修饰的静态成员变量,也就是常量,是初始化为代码中指定的值比如10。非final修饰的静态成员变量,在clint执行过程中赋值为代码中指定的值,请问老师是这样的吗?

    2018-07-25

  • Skysper 👍(18) 💬(5)

    每次new一个类都是一次初始化吧?加载和链接以后生成的是什么样的数据结构?存储在什么地方?

    2018-07-25

  • Super丶X 👍(13) 💬(2)

    老师,你说可以通过不同的类加载器加载同一个类得到类的不同版本,我有个疑问,类是通过包名加类名来使用的,那怎么样区分不同的类加载器加载的类呢?

    2018-07-25

  • 小蛋壳 👍(9) 💬(1)

    加载阶段都加载哪些类呢,那么多类,全部加载吗?

    2018-07-26

  • L.B.Q.Y 👍(8) 💬(3)

    从大的方面讲,类加载的结果是把一段字节流变换成Class结构并写方法区,实际写方法区具体是发生在加载、链接、初始化的哪个环节呢?

    2018-07-25

  • funnyx 👍(6) 💬(1)

    有两个问题想问一下老师,在类加载的过程中,有一个委派模式,这里严格来说应该不是使用的继承方式,应该是组合。另一个就是类中的静态字段,如果没有被jvm标记为常量,那么这部分内存是如何分配的?

    2018-07-25

  • scutware 👍(5) 💬(2)

    您在评论回复说.class在加载后已经写入方法区(元空间),但是我理解在方法区里类代码的方法调用应该是实际的调用地址吧?而取得实际调用地址不是在链接阶段吗?这里不太理解,求解答~

    2018-07-26

  • 陈树义 👍(5) 💬(2)

    新建数组不会导致初始化,但是否会链接不清楚。不知道有什么方式可以验证?

    2018-07-25

  • 志远 👍(4) 💬(1)

    请问,关于双亲委派类加载器的情况,与周志明的深入理解java虚拟机矛盾啊,到底听哪个呢?周志明书籍中lib/ext是由扩展类加载器加载,你这里是启动类加载器加载,到底哪个是正确的呢?

    2018-07-25

  • liuyitao 👍(3) 💬(1)

    clinit执行时的锁,是什么锁,跟synchronized一样吗?

    2018-10-23