知识图库
Java知识库
JDK线程池实现原理
Java中的强、软、弱、虚引用
深入拆解Java虚拟机
01 开篇词 | 为什么我们要学习Java虚拟机?
02 Java代码是怎么运行的?
03 Java的基本类型
04 Java虚拟机是如何加载Java类的?
05 JVM是如何执行方法调用的?(上)
06 JVM是如何执行方法调用的?(下)
7 JVM是如何处理异常的?
Java面试常见问题整理
Java面试常见问题-Java 基础篇
Java面试常见问题-Jvm篇
Java面试常见问题-并发篇
Android知识库
Kotlin编程第一课
1 开篇词 | 入门Kotlin有多容易,精通Kotlin就有多难
2 Kotlin基础语法:正式开启学习之旅
3 面向对象:理解Kotlin设计者的良苦用心
4 Kotlin原理:编译器在幕后干了哪些“好事”?
5 实战:构建一个Kotlin版本的四则运算计算器
6 object关键字:你到底有多少种用法?
7 扩展:你的能力边界到底在哪里?
8 高阶函数:为什么说函数是Kotlin的“一等公民”?
9 实战:用Kotlin写一个英语词频统计程序
10 加餐一 | 初识Kotlin函数式编程
11 委托:你为何总是被低估?
12 泛型:逆变or协变,傻傻分不清?
13 注解与反射:进阶必备技能
14 实战:用Kotlin实现一个网络请求框架KtHttp
15 加餐二 | 什么是“表达式思维”?
16 加餐三 | 什么是“不变性思维”?
17 加餐四 | 什么是“空安全思维”?
18 春节刷题计划(一)| 当Kotlin遇上LeetCode
19 春节刷题计划(二)| 一题三解,搞定版本号判断
20 春节刷题计划(三)| 一题双解,搞定求解方程
21 春节刷题计划(四)| 一题三解,搞定分式加减法
22 什么是“协程思维模型”?
23 如何启动协程?
24 挂起函数:Kotlin协程的核心
25 Job:协程也有生命周期吗?
26 Context:万物皆为Context?
27 实战:让KtHttp支持挂起函数
28 期中考试 | 用Kotlin实现图片处理程序
29 题目解答 | 期中考试版本参考实现
30 Channel:为什么说Channel是“热”的?
31 Flow:为什么说Flow是“冷”的?
32 select:到底是在选择什么?
33 并发:协程不需要处理同步吗?
34 异常:try-catch居然会不起作用?坑!
35 实战:让KtHttp支持Flow
36 答疑(一)| Java和Kotlin到底谁好谁坏?
37 集合操作符:你也会“看完就忘”吗?
38 协程源码的地图:如何读源码才不会迷失?
39 图解挂起函数:原来你就是个状态机?
40 加餐五 | 深入理解协程基础元素
41 launch的背后到底发生了什么?
42 Dispatchers是如何工作的?
43 CoroutineScope是如何管理协程的?
44 图解Channel:如何理解它的CSP通信模型?
45 图解Flow:原来你是只纸老虎?
46 Java Android开发者还会有未来吗?
47 Kotlin与Jetpack简直是天生一对!
48 用Kotlin写一个GitHub Trending App
49 结课测试 | “Kotlin编程第一课”100分试卷等你来挑战!
50 结束语 | 不忘初心
Android Framework 教程—基础篇
01 Ubuntu 使用快速入门
02 Make 构建工具入门
03 理解 Unicode UTF-8 UTF-16 UTF-32
04 Linux Shell 脚本编程入门1——核心基础语法
05 SeAndroid 使用极速上手
06 理解 C++ 的 Memory Order
07 AOSP 极速上手
08 系统开发工具推荐
09 添加 Product
运动相关知识
爱上跑步
01 开篇词 | 跑步,不那么简单的事儿
02 跑两步就喘了,是不是我不适合跑步?
03 正确的跑步姿势是什么样的?
04 为什么跑步要先热身?
05 怎样制定你的第一个10公里跑步计划?
06 快跑和慢跑,哪个更燃脂?
07 普通跑步者应该如何选择跑鞋?
08 买跑步装备,不要踩这些坑儿
09 跑步前到底应不应该吃东西?
10 跑步到底伤不伤膝盖?
11 参加了20场马拉松,我是如何准备的?
12 除了马拉松,还能参加哪些跑步赛事?
13 热点问题答疑 :跑完第二天浑身疼,还要不要继续跑?
健身房计划
[DeepSeek]减脂塑形计划
【DeepSeek】训练周期安排
每日餐饮热量控制
减脂期间食物推荐避坑指南
HarmonyOS知识库
其他知识类目
心理学相关
如何学点心理学——关于非专业人士学心理学的一点建议
投射性认同
-
+
首页
04 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: - 当虚拟机启动时,初始化用户指定的主类; - 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; - 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; - 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; - 子类的初始化会触发父类的初始化; - 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; - 使用反射API对某个类进行反射调用时,初始化这个类; - 当初次调用MethodHandle实例时,初始化该MethodHandle指向的方法所在的类。 ```java 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$): ```java $ echo ' public class Singleton { private Singleton() {} private static class LazyHolder { static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); static { System.out.println("LazyHolder."); } } 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$): ```shell $ 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?
嘿手大叔
2024年12月24日 11:40
转发文档
收藏文档
上一篇
下一篇
手机扫码
复制链接
手机扫一扫转发分享
复制链接
Markdown文件
分享
链接
类型
密码
更新密码