Java的类是怎样在虚拟机中加载的？详细阐述JVM的加载、验证和解析过程

ops/2024/9/23 0:04:42/

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目录

一、类加载过程概述

二、加载

2.1 基础概念

2.1.1 类加载

2.1.2 类的Class对象 

2.1.3 类加载子系统

2.1.4 双亲委派模型  

2.1.4.1 JVM三个默认类加载器

2.1.4.2 双亲委派模型的工作过程

2.2 类加载的具体过程

2.2.1 获取类的字节码文件

2.2.2 静态结构转运行时结构

2.2.3 生成类的Class对象

三、链接：验证、准备、解析

四、初始化

 

一、类加载过程概述

类加载过程：加载、链接（验证、准备、解析）、初始化。

  • 加载：生成类的Class对象，作为这个类各种数据的访问入口。
  • 链接：将类的二进制数据合并到JRE（即Java运行环境，等于JVM+Java程序运行所需的类库）中。
  • 初始化：给类中的类变量赋初值、执行静态语句块。

二、加载

2.1 基础概念

2.1.1 类加载

类加载：类加载就是Java 虚拟机（JVM）将类的字节码加载到内存中，并对其进行初始化的过程。此阶段最终会生成类的Class对象，作为这个类各种数据的访问入口。

我们都知道，每个执行过的Java文件都会经历编译、运行两个阶段，这两个阶段分别对应JDK的bin目录下javac.exe、java.exe两个文件：

  • javac.exe：将我们写的类编译成.class文件（即字节码文件）；
  • java.exe：运行这个.class文件。

通过javac.exe、java.exe编译、运行Java文件：

1.准备

准备测试类 ：

java">/*** @Author: vince* @CreateTime: 2024/04/20* @Description: 测试类：Hello world* @Version: 1.0*/
public class Test {public Test() {}public static void main(String[] args) {System.out.println("hello~~~~~~~");}
}

2.编译

打开cmd窗口，使用javac命令编译成字节码文件：

java">javac Test.java

3.运行

运行class文件：

java">java Test

2.1.2 类的Class对象 

类的Class对象：在运行期间，JVM虚拟机会把.class文件中的类信息（变量、方法等信息）加载进内存中，并解析生成类的Class对象。通过这个类的Class对象，我们可以获取到类的各种信息。

类的字节码文件和Class对象的区别：

  • 类的class字节码文件是编译时生成的，类的class对象是运行时生成的。
  • 类的字节码文件是一个存储在电脑硬盘中的文件，例如Test.class；类的Class对象是存放在内存中的数据，可以快速获取其中的信息；
  • 两者都存储类的各种信息；

 类的字节码文件详解：

JDK编译生成的.class字节码文件是什么？从底层结构到代码验证，深度解析Java字节码文件-CSDN博客

2.1.3 类加载子系统

整个加载过程是在JVM中的类加载子系统完成的。 

类加载子系统：通过类加载机制加载类的class文件，如果该类是第一次加载，会执行加载、验证、解析。只负责class文件的加载，至于是否可运行，则由执行引擎决定。

JVM中，类加载过程是在类加载子系统完成的。

类加载过程：加载 --> 链接（验证 --> 准备 --> 解析） --> 初始化

类加载子系统详细参考：什么是JVM的内存模型？详细阐述Java中局部变量、常量、类名等信息在JVM中的存储位置-CSDN博客

类加载子系统采用了双亲委派模型，通过一系列的类加载器来实现类加载任务。 

2.1.4 双亲委派模型  

双亲委派模型：当一个类加载器接收到加载类的请求时，它首先会将这个请求委派给其父类加载器处理，只有在父类加载器无法完成加载任务时，才会由该类加载器自己去加载类。 

2.1.4.1 JVM三个默认类加载器
  • 启动类加载器BootStrapClassLoader（最顶端）：
    • 加载内容：负责加载java的核心类库，包括java.lang包中的类等。底层使用C++实现（不会继承ClassLoader），是虚拟机自身的一部分。
    • 不能被直接引用：因为是C++实现的，所以无法被Java程序直接引用，只能加载委派过来的请求。这些类库存放在 JAVA_HOME\lib（具体解释看下文） 目录下，或者被 -Xbootclasspath 参数指定的路径中。（启动类加载器主要加载java的核心类库，即加载lib目录下的所有class）
  • 扩展类加载器ExtClassLoader：
    • 加载内容：负责加载JAVA_HOME\lib\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有类库。
    • 可以被直接引用：它可以直接用来加载类，也可以通过委派加载类。Ext是Extract缩写，译为扩展、提取。
  • 应用程序类加载器AppClassLoader（最低端）：
    • 加载内容：负责加载类路径的所有类库，在大多数情况下，我们编写的 Java 程序都是由这个类加载器加载的。
    • 可以被直接引用：可以直接在代码中使用这个类加载器。

JAVA_HOME\lib：

是 JDK（Java Development Kit）安装目录下的一个子目录，其中包含了 Java 核心类库，包括一些 Java 的基础类和工具类等。这些类库是 Java 编程语言的基础，为 Java 程序的运行提供了必要的支持。

一些常见的在 JAVA_HOME\lib 目录下的重要文件包括：

  • rt.jar：Java 运行时的核心库，包含了 Java 核心类库的大部分内容，如 java.lang、java.util 等。
  • charsets.jar：包含了字符集支持的类库。
  • jfxrt.jar：JavaFX 运行时的核心库。
  • tools.jar：包含了一些 Java 开发工具的类库，如编译器、调试器等。
  • dt.jar：包含了 Java 开发工具包的类库，如图形界面工具等。

在编译和运行 Java 程序时，这些类库会被 JVM 的 Bootstrap ClassLoader 加载，以便程序能够使用 Java 核心类库提供的功能。

 

JAVA_HOME\lib\ext：

是 JDK（Java Development Kit）安装目录下的一个子目录，用于存放 Java 的扩展类库。这些类库提供了一些 Java 平台的扩展功能，如 XML 解析、网络协议、加密解密等。

在 JAVA_HOME\lib\ext 目录下，通常会包含一些 JAR 文件，这些文件是扩展类库的实现。一些常见的扩展类库包括：

  • dnsns.jar：DNS 名称服务提供者实现。
  • jaccess.jar：Java 访问桥实现。
  • ldapsec.jar：LDAP 安全实现。
  • sunjce_provider.jar：Sun 的 JCE（Java Cryptography Extension）提供者实现。
  • sunpkcs11.jar：Sun 的 PKCS#11 提供者实现。

这些扩展类库提供了一些 Java 平台的高级功能，但并不是所有的 Java 运行时环境都会使用到。通常情况下，如果你需要使用这些扩展功能，你可以将相应的 JAR 文件添加到类路径中，以便 Java 程序能够访问到这些功能。

2.1.4.2 双亲委派模型的工作过程

工作过程：

  1. 检查父类加载器是否已经加载过这个类：JVM 会首先询问父类加载器是否已经加载了该类。如果已经加载过了，直接返回该类的 Class 对象。如果没加载过，则：

  2. 委派给父类加载器加载：如果父类加载器没有加载过该类，那么 JVM 将委托给父类加载器进行加载。每一层都是这样继续委派，直到达到最顶层的启动类加载器。

  3. 尝试加载类：如果父类加载器无法加载该类（即所有的父类加载器都无法加载），那么 JVM 将尝试使用自己的类加载器来加载类。

实际流程：

JVM在加载一个类时，会调用应用程序类加载器的loadClass()方法来加载这个类，不过在这方法中，会先使用扩展类加载器的loadClass()方法来加载类，同样扩展类加载器的loadClass()方法中会先使用启动类加载器来加载类；

如果启动类加载器加载到了就直接成功，如果启动类加载器没有加载到，那扩展类加载器就会自己尝试加载该类，如果没有加载到，那么则会由应用程序类加载器来加载这个类。 

双亲委派模型的作用：

  • 避免类的重复加载：无论哪一个类加载器要加载某类，最终都是委派最顶端的启动类加载器。
  • 防止核心API被篡改：如果没有使用双亲委派模型，都由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己也编写了一个名为java.lang.Object的类，并放在程序的ClassPath中，那系统中就会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无从保证，应用程序将会变得一片混乱。

类路径：

classpath：类路径classpath是编译之后的target文件夹下的WEB-INF/class文件夹。内容等同于打包前的src.main.java和src.main.resource下的目录和文件

classpath* ：不仅包含class路径，还包括jar文件中(class路径)进行查找. 

2.2 类加载的具体过程

2.2.1 获取类的字节码文件

类加载过程中的第一步：通过类的全限定名获取定义此类的二进制字节流（即类的.class文件）。

  • 类的全限定名：即"包名.类名"，例如Object类的全限定名是java.lang.Object 。包名的各个部分之间，包名和类名之间， 使用点号分割。 
  • 类的二进制字节流：即类的字节码文件，是一组以8个字节(64位)为基础单位的二进制流，各个单位内部及之间都排列紧凑，中间没有添加任何分隔符和空隙，这使得整个Class文件中存储的内容几乎都是程序运行的必要数据。当遇到需要占用8个字节以上空间的数据项时，则会按照高位在前的方式分割成若干个8个字节进行存储，保证每个基础单位只有8个字节。

类的字节码文件详解：

JDK编译生成的.class字节码文件是什么？从底层结构到代码验证，深度解析Java字节码文件-CSDN博客

2.2.2 静态结构转运行时结构

类加载过程中的第二步：将这个.class字节码文件的静态存储结构，转化为方法区的运行时数据结构；

  • 静态存储结构：二进制文件，存储内容，存储内容包括魔数、版本号、常量池、访问标识、类索引、字段表、方发表、属性表
  • 运行时数据结构：存储在内存中的JVM内存模型中的运行时数据区-方法区，存储内容是类常量池、运行时常量池、字符串常量池，存储形式是永久代（JDK7及之前）和元空间（JDK8及之后）。

此步骤中，JVM会将类常量池的部分符号引用放入运行时常量池。

字节码文件的静态存储结构：
JDK编译生成的.class字节码文件是什么？从底层结构到代码验证，深度解析Java字节码文件-CSDN博客

运行时数据区：在程序运行时，存储程序的内容（例如字节码、对象、参数、返回值等）。

运行时数据区包括本地方法栈、虚拟机栈、方法区、堆、程序计数器。

在运行时数据区中，只有方法区和堆是各线程共享的进程内存区域，其他运行区都是每个线程可以独立拥有的。

图示：

详细参考：什么是JVM的内存模型？详细阐述Java中局部变量、常量、类名等信息在JVM中的存储位置-CSDN博客

2.2.3 生成类的Class对象

在内存中生成类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类各种数据的访问入口。

类的 Class 对象：类的 Class 对象是 Java 中用于表示类的元数据信息的对象，它包含了关于类的结构、字段、方法等各种信息，同时也提供了一些方法操作这些信息。Class 对象在 Java 反射和动态代理等场景中被广泛使用，可以在代码运行期间，动态获取和操作类的信息。

常用方法：

  • 获取类名、包名：通过 getName() 方法获取类的全限定名，通过 getPackage() 方法获取类所在的包信息。
  • 获取类的字段、方法：通过 getFields() 和 getDeclaredFields() 方法获取类的字段信息，通过 getMethods() 和 getDeclaredMethods() 方法获取类的方法信息。
  • 获取类的父类和接口信息：通过 getSuperclass() 方法获取类的父类信息，通过 getInterfaces() 方法获取该类所实现的接口信息。
  • 获取类的对象：通过 newInstance() 方法实例化类，获取类的对象。
  • 获取类的类型：通过 isInterface() 方法判断类是否是接口，通过 isArray() 方法判断类是否是数组类型，通过 isPrimitive() 方法判断类是否是基本数据类型等。

获取Class对象的三种方法：

  • 类名 .class 字面量：在程序中直接使用类的 .class 字面量可以获取该类的 Class 对象。例如：Class<?> clazz = MyClass.class;
  • 已有对象的 getClass() 方法：如果已经有该类的对象实例，可以通过调用对象的 getClass() 方法来获取该类的 Class 对象。例如：Class<?> clazz = obj.getClass();
  • Class.forName(类全限定名) ：可以通过类的全限定名使用 Class.forName() 方法来获取该类的 Class 对象。例如：Class<?> clazz = Class.forName("com.example.MyClass");

注意类的class对象是运行时生成的，类的class字节码文件是编译时生成的。

类的字节码文件和Class对象的区别：

  • 生成时机：类的class字节码文件是编译时生成的，类的class对象是运行时生成的。
  • 本质：类的字节码文件是个文件，类的Class对象是个对象。文件存储在电脑硬盘中，例如Test.class；对象存放在内存中，可以快速获取其中的信息；
  • 存储内容：两者都存储类的各种信息；

三、链接：验证、准备、解析

链接：将类的二进制数据合并到JRE中。该过程分为以下3个阶段：

验证：确保代码符合JAVA虚拟机规范和安全约束。包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

  • 文件格式验证：验证字节码文件是否符合规范。
    • 魔数：是否魔数0xCAFEBABE开头。魔数是每个Class文件的头4个字节。唯一作用是确定这个文件是不是一个能被虚拟机接受的Class文件。cafeBabe可以翻译为咖啡宝贝。
    • 版本号：版本号是否在JVM兼容范围。JVM可以通过版本号判断这个字节码文件所对应的JDK版本。版本号从45开始，JDK1.1之后每个大版本的主版本号向上加1，例如JDK2.0的主版本号46，JDK8的版本号52（转为16进制是0x34 hex）。高版本的JDK能够向下兼容更低版本的Class文件，但不能运行更高版本的Class文件。所以虚拟机会拒绝执行超过其版本号的Class文件。
      • 次版本号（Minor Version）：第5和第6个字节。
      • 主版本号（Major Version）：第7和第8个字节。数据类型为u2，即占两个字节
    • 常量类型：类常量池里常量类型是否合法
    • 索引值：索引值是否指向不存在或不符合类型的常量。
  • 元数据验证：元数据是字节码里类的全名、方法信息、字段信息、继承关系等。
    • 标识符：验证类名接口名标识符有没有符合规范
    • 接口实现方法：有没有实现接口的所有方法
    • 抽象类实现方法：有没有实现抽象类的所有抽象方法
    • final类：是不是继承了final类。
  • 指令验证：主要校验类的方法体，通过数据流和控制流分析，保证方法在运行时不会危害虚拟机安全。
    • 类型转换：保证方法体中的类型转换是否有效。例如把某个类强转成没继承关系的类
    • 跳转指令：保证跳转指令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。
  • 符号引用验证：确保后面解析阶段能正常执行。
    • 类全限定名地址：验证类全限定名是否能找到对应的类字节码文件
    • 引用地址：引用指向地址是否存在实例
    • 引用权限：是否有权引用

准备：为类变量（即static变量）分配内存并赋零值。

解析：将方法区-运行时常量池内的符号引用（类的名字、成员名、标识符）转为直接引用（实际内存地址，不包含任何抽象信息，因此可以直接使用）。

  • 符号引用：符号引用，顾名思义，就是一个符号，符号引用被使用的时候，才会解析这个符号。如果熟悉linux或unix系统的，可以把这个符号引用看作一个文件的软链接，当使用这个软连接的时候，才会真正解析它，展开它找到实际的文件。
  • 直接引用：实际内存地址。当一个类被加载时，该类所用到的别的类的符号引用都会保存在常量池，实际代码执行时，首次遇到某个别的类时，JVM会对常量池的该类的符号引用展开，转为直接引用，这样下次再遇到同样的类型时，JVM 就不再解析，而直接使用这个已经被解析过的直接引用。

示例：

java">        String s1="test1";String s2="test2";// s1,s2相当于符号引用：在编译时，JVM并没有解析s1；// 在运行时第一次加载这个类时，JVM会将s1和s2这两个符号引用解析为直接引用System.out.println(s1+s2);// "test1","test2"相当于直接引用：直接能访问到两个字符串的内存地址System.out.println("test1"+"test2");

四、初始化

初始化步骤：

  • 类变量赋初值：声明类变量时，直接初始值，例如public static int age=23;
  • 执行静态语句块：
    • 检查执行父类静态代码块：​​​​​假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类
    • 执行静态代码块：假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句

类变量赋值的两种方式：

java">/*** @Author: vince* @CreateTime: 2024/04/23* @Description: 类变量赋初值* @Version: 1.0*/
public class User {// 声明类变量并直接赋初值public static int age=23;// 在静态代码块中指定初始值public static int weight;static {weight=23;}}

类什么情况下会被初始化？

只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化。

类会被初始化的场景：

  • new实例化：当通过 new 关键字创建类的实例时，该类会被初始化。这包括了显式地使用构造器创建对象，以及通过反射机制调用类的构造器来创建对象。
  • 访问类的静态成员：当访问类的静态字段（类变量）或静态方法时，如果该类还没有被初始化，则会触发类的初始化。
  • 反射：通过 Class.forName() 方法加载类时，如果指定了 initialize 参数为 true，则会触发类的初始化。
  • 子类初始化：当初始化一个类的子类时，如果该子类的父类还没有被初始化，则会先触发父类的初始化。
  • 启动类：Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（Java Test），直接使用java.exe命令来运行某个主类


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