一個 Java 類的加載

該系列文章，主要是為了深入學習Java完成的一條鏈，推薦閱讀的整體順序為：Java的內(nèi)存模型（根源），一個java文件被執(zhí)行的歷程，一個Java類的加載，Java的垃圾回收機制及算法，Linux（六）：系統(tǒng)運維常用命令? 和 Java程序運行狀態(tài)的監(jiān)控（實用，定位Java程序問題）

0x01：類加載

我一直認為，不應該把類的加載，單獨當作一個模塊去看，那樣就是單純地去看一個知識點，不利于建立Java全體系的知識架構，更別說實際應用到開發(fā)中（閱讀優(yōu)秀開源項目、寫出高質(zhì)量的代碼或定位問題）。所以這里應該串聯(lián)一整個Java語言編譯的全流程。

下面說一下在Java中類加載的概念及它在整個Java程序得以運行的過程中所處的位置：

類的加載指的是將類的字節(jié)碼文件（.class文件）中數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中，將其放在運行時數(shù)據(jù)區(qū)的方法區(qū)內(nèi)，然后在堆區(qū)創(chuàng)建一個java.lang.Class對象（關于這部分可以看之前的一篇關于Java反射的內(nèi)容：入口），用來封裝類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構。類的加載的最終產(chǎn)品是位于堆區(qū)中的Class對象，Class對象封裝了類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構，并且向Java程序員提供了訪問方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構的接口。

類加載器并不需要等到某個類被“首次主動使用”時再加載它，JVM規(guī)范允許類加載器在預料某個類將要被使用時就預先加載它，如果在預先加載的過程中遇到了.class文件缺失或存在錯誤，類加載器必須在程序首次主動使用該類時才報告錯誤（LinkageError錯誤）如果這個類一直沒有被程序主動使用，那么類加載器就不會報告錯誤。

上面的話感覺很懵？沒事，我給你翻譯翻譯，和那些編譯時需要進行連接工作的語言不同（那些語言都是完成全部代碼的編譯連接全部放到內(nèi)存中才開始運行），在Java里，類的加載、連接和初始化過程都是在程序運行起來以后進行的，或者說是在運行期間完成的（懵逼？沒事，先保留困惑，詳細的解釋會在后面類的加載時機那塊做出解釋）。它的這種設計，會在類加載時增加一定的性能開銷，但是這樣是為了滿足Java的高度靈活性，Java是天生地可以動態(tài)擴展地語言，這一特性就是依賴運行期動態(tài)加載和動態(tài)連接實現(xiàn)的。

0x02：類的生命周期

說類加載的過程之前，我們先來了解一下，類的整個生命周期要經(jīng)歷什么

類從被加載到虛擬機的內(nèi)存中開始，到卸載出內(nèi)存（整個程序\系統(tǒng)運行結(jié)束虛擬機關閉）為止，它的整個生命周期包括：加載、鏈接、初始化、使用、卸載。

因為這里著重說類的加載這一過程，所以類的使用和卸載就不介紹了，后面就默認類的加載這個過程包含：加載、鏈接、初始化

• 加載（Load）
  

這里叫做加載，很容易讓人誤會，會覺得類的加載就是指這里，其實不是這個樣子，這里的加載二字和類的加載不是一回事，可以這么理解，加載是類加載過程的一個階段，這一階段，虛擬機主要是做三件事：

1、根據(jù)類的全路徑獲取類的二進制字節(jié)流

2、將這個字節(jié)流對應的結(jié)構轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運行時數(shù)據(jù)結(jié)構（把編碼的組織方式變成虛擬機運行時所能解讀的結(jié)構，存放于方法區(qū)）

3、在內(nèi)存中生成一個Class對象（java.lang.Class），由這個對象來關聯(lián)方法區(qū)中的數(shù)據(jù)

這里特別注意一下，以上的三點，只是虛擬機規(guī)范定義的，至于具體如何實現(xiàn)，是依賴具體的虛擬機來的；例如，第一件事的獲取二進制流，并不一定是從字節(jié)碼文件（Class文件）從進行獲取，它可以是從ZIP中獲取，從網(wǎng)絡中獲取，利用代理在計算過程中生成等等；

還有第三件事中生成的Class對象，也并不一定是在堆區(qū)的，例如HostSpot虛擬機的實現(xiàn)上，Class對象就是放在方法區(qū)的。

• 鏈接（Link）
  

　　鏈接階段又細分為驗證、準備、解析三個步驟：

驗證

作為鏈接的第一步，它的職責就是確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息是符合規(guī)定的，并且不會對虛擬機進行破壞；其實說白了就是它主要責任就是保證你寫的代碼是符合Java語法的，是合理可行的。如果不合理，編譯器是拒絕的。驗證主要是針對 文件格式的驗證、元數(shù)據(jù)的驗證，字節(jié)碼的驗證，符號引用的驗證；

文件格式的驗證是對字節(jié)流進行是否符合Class文件格式的驗證，元數(shù)據(jù)的驗證主要是語義語法的驗證，即驗是否符合Java語言規(guī)范，例如：一個類是否有父類（我們知道Java中處理Object，所有的類都應該有個父類），字節(jié)碼的驗證主要是對數(shù)據(jù)流和控制流進行驗證，確保程序語義是合法、合邏輯的，例如：在操作棧先放了一個Int型的數(shù)據(jù)，后面某個地方使用的時候卻用Long型來接它。符號引用的驗證是確保解析動作能夠正常執(zhí)行。

整個驗證過程，保證了Java語言的安全性，不會出現(xiàn)不可控的情況。（這里補充一下，這里說的驗證、不可控，包括上面舉的例子，并不是我們編程中寫的類似于a != null這種，它是在我們編寫的程序更下一層的字節(jié)碼的解析上來說的），對于加載的過程來說，驗證階段很重要，但并不一定是必須的，因為它對程序運行期并沒有影響，僅僅旨在保證語言的安全性，如果所運行的全部代碼都已經(jīng)被反復使用和驗證過，那么在實施階段，可以考慮使用-Xverify:none參數(shù)來關閉大部分的驗證過程，以達到縮短虛擬機加載的時間。

準備

準備階段主要作用是正式為類變量分配內(nèi)存并設置類變量初始值的階段，即這些變量所使用的內(nèi)存，都在方法區(qū)中進行分配。這里需要注意，這時候進行內(nèi)存分配的僅僅是類變量，換句話說也就是靜態(tài)變量（static修飾的），并不包括實例變量，實例變量會在實例化時分配在堆內(nèi)存中。初始值也并不是我們的賦值，

例如：

public?Class?A{

??public?String name；

??public?static?int?value?=?987；

}

就像剛剛講的，這里在準備階段，只會對value變量進行內(nèi)存分配，并不會對name進行分配，其次，在準備階段，對value分配完內(nèi)存，會同時賦予初始值，但是并不會賦給它987，在準備階段，value的值是0。而賦值為987的指令，是在程序被編譯后，存放于類構造器<clinit>()方法中，所以把value賦值987的操作，會在初始化階段才會進行。（這里補充個特殊情況，如果我們寫成 public static final int ?value = 987，那么變量value 在準備階段就會被賦值為987，這就是為什么很多書在講final字段的時候說它一般用來定義常量，且一經(jīng)使用，就不可以被更改的原因）

解析

解析階段的任務是將常量池中的符號引用替換為直接引用

常量池可以理解為存放我們代碼符號的地方，例如我們代碼中聲明的變量，它僅僅是個符號，并不具備實際內(nèi)存，所有這些符號，都會放在常量池中。例如，一個類的方法為test()，則符號引用即為test，這個方法存在于內(nèi)存中的地址假設為0x123456，則這個地址則為直接引用。

符號引用：

符號引用更多的是以一組符號來描述所引用的內(nèi)存目標，符號和內(nèi)存空間實際并沒有關系，引用的目標也不一定在內(nèi)存里，只是我們在代碼中自己寫的時候區(qū)分的，例如一句 Persion one；其中one就是個’o‘，’n‘，’e‘三個符號的組合，它啥也不是。

直接引用：

直接引用可以是直接指向內(nèi)存空間的指針、相對便宜量或是一個能夠簡潔定位到內(nèi)存目標的句柄。

解析動作主要是針對 類、接口、字段、類方法、方法類型、方法句柄和調(diào)用點限定符號的引用進行。

初始化（Initialize）

在類的加載過程中，加載、連接完全由虛擬機來主導和控制，到了初始化這一階段，才是真正開始執(zhí)行類中定義的Java代碼。初始化其實我個人理解的就是該階段是為類的類變量初始化值的，在準備階段變量已經(jīng)進了一次賦值，只不過那是系統(tǒng)要求的初始值，而在初始化階段的賦值，則是根據(jù)研發(fā)人員編寫的主觀程序去初始化變量和其他資源。在初始化這步，進行賦值的方式有兩種：

1、在聲明類變量時，直接給變量賦值

2、在靜態(tài)初始化塊為類變量賦值

使用

就是對象之間的調(diào)用通信等等

卸載（死亡）

遇到如下幾種情況，即類結(jié)束生命周期：

• 執(zhí)行了System.exit()方法

• 程序正常執(zhí)行結(jié)束

• 程序在執(zhí)行過程中遇到了異常或錯誤而異常終止

• 由于操作系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤而導致Java虛擬機進程終止

0x03：類加載器

之前說了那么多一個類的聲明周期，更多的是一種理論基礎，映射到具體的代碼層面，到底是什么來完成類加載這個過程的就是這里要說的——類加載器。

虛擬機在設計時，把類加載階段的 “通過一個類的全路徑名來獲取該類字節(jié)碼二進制流” 這個動作放到了 Java虛擬機之外去完成，而負責實現(xiàn)這個動作的模塊就叫做類加載器。

類加載器分類

啟動類加載器

1、它用來加載 Java 的核心庫(JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar,sun.boot.class.path路徑下的內(nèi)容)，并不是Java代碼完成，而是用原生代碼（C語言或C++）來實現(xiàn)的，并不繼承自 java.lang.ClassLoader。

2、加載擴展類和應用程序類加載器。并指定他們的父類加載器。

擴展類加載器

這一類加載器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實現(xiàn)，用來加載 Java 的擴展庫(JAVA_HOME/jre/ext/*.jar，或java.ext.dirs路徑下的內(nèi)容) 。Java 虛擬機的實現(xiàn)會提供一個擴展庫目錄。該類加載器在此目錄里面查找并加載 Java類。

應用類加載器

這個類加載器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader實現(xiàn)，由于這個類加載器是ClassLoader中getSystemClassLoader（）方法的返回值，所以它也成為系統(tǒng)類加載器。它負責加載用戶類路徑下所指定的類庫，開發(fā)者可以直接使用這個類加載器，如果應用程序中沒有自定義過自己的類加載器，一般情況下這個就是系統(tǒng)默認的類加載器。

自定義加載器

開發(fā)人員可以通過繼承 java.lang.ClassLoader類的方式實現(xiàn)自己的類加載器，以滿足一些特殊的需求。

類加載的代理（雙親委派模式）

如果一個類加載器收到了類加載器的請求，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把這個請求委派給父加載器去完成。每個層次的類加載器都是如此。因此所有的加載請求最終都會傳送到Bootstrap類加載器(啟動類加載器)中，只有父類加載反饋自己無法加載這個請求(它的搜索范圍中沒有找到所需的類)時子加載器才會嘗試自己去加載。

例如類java.lang.Object,它存放在rt.jart之中，無論哪一個類加載器都要加載這個類.最終都是雙親委派模型最頂端的Bootstrap類加載器去加載，因此Object類在程序的各種類加載器環(huán)境中都是同一個類。相反，如果沒有使用雙親委派模型.由各個類加載器自行去加載的話，如果用戶編寫了一個稱為“java.lang.Object”的類，并存放在程序的ClassPath中，那系統(tǒng)中將會出現(xiàn)多個不同的Object類.java類型體系中最基礎的行為也就無法保證。應用程序也將會一片混亂。

當然也并不是所有的加載機制都是雙親委派的方式，例如tomcat作為一個web服務器，它本身實現(xiàn)了類加載，該類加載器也使用代理模式(不同于前面說的雙親委托機制)，所不同的是它是首先嘗試去加載某個類，如果找不到再代理給父類加載器。這與一般類加載器的順序是相反的。但也是為了保證安全，這樣核心庫就不在查詢范圍之內(nèi)。

類的加載時機

最后說一個比較重要也是諸多困惑的地方，就是什么時候才會加載類。

加載、驗證、準備、初始化、卸載這五個步驟是確定的，類的加載過程必須按部就班地開始，但是解析階段就不一定了，它在某些情況下是可以在初始化階段之后再開始，看到這里，肯定滿腦子？？？？，其實不必驚訝，我一開始就說了，它這是為了滿足Java語言地動態(tài)時綁定（泛型、多態(tài)的本質(zhì)）這個特性來的，它是按部就班的開始，而不是按部就班的 “進行”或者“結(jié)束”，這些階段其實是相互交叉混合進行的，通常會在一個階段執(zhí)行的過程中調(diào)用、激活另外一個階段。

其實上面的話有些繞，我們從類的使用上來看這個問題，類的使用分為主動引用和被動引用：

1、主動引用類（肯定會初始化）

• new一個類的對象。

• 調(diào)用類的靜態(tài)成員(除了final常量)和靜態(tài)方法。

• 使用java.lang.reflect包的方法對類進行反射調(diào)用。

• 當虛擬機啟動，java Hello，則一定會初始化Hello類。說白了就是先啟動main方法所在的類。

• 當初始化一個類，如果其父類沒有被初始化，則先會初始化他的父類

被動引用

• 當訪問一個靜態(tài)域時，只有真正聲明這個域的類才會被初始化。例如：通過子類引用父類的靜態(tài)變量，不會導致子類初始化。

• 通過數(shù)組定義類引用，不會觸發(fā)此類的初始化。

• 引用常量不會觸發(fā)此類的初始化（常量在編譯階段就存入調(diào)用類的常量池中了）。

首先，Java的編譯不是像其他語言一樣，都加載到內(nèi)存中才開始運行，而且動態(tài)的，也就會出現(xiàn)：先運行了一部分，初始化了一些類，但是在這一部分運行的代碼里被動引用了未被初始化的類（例如static變量），這時候就會出現(xiàn)了這種違背順序的情況。總的來說就是，

• 先加載并連接當前類

• 父類沒有被加載，則去加載、連接、初始化父類，依舊是先加載并連接，然后再判斷有無父類，如此循環(huán)（所以JVM先將Object加載）

• 如果類中有初始化語句，包括聲明時賦值與靜態(tài)初始化塊，則按順序進行初始化

source：https://www.cnblogs.com/TheGCC/p/14738123.html

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