java学习——java基础（十）之类加载机制

写在前面：除了焦躁还是焦躁，唯有学习，才能静下心来。

在开发中经常会出现ClassNotFoundException这个异常，那么类是否可以找到就与类加载机制关系有着密切关系。明白类加载机制能在平时的撸码中快速的找到类加载失败等问题。

1.what is 类加载机制

Class文件由类装载器装载后，在JVM中将形成一份描述Class结构的元信息对象，通过该元信息对象可以获知Class的结构信息：如构造函数，属性和方法等，Java允许用户借由这个Class相关的元信息对象间接调用Class对象的功能。虚拟机把描述类的数据从class文件加载到内存，并对数据进行校验，转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。

2.类加载过程

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。其中到初始化之前的都是属于类加载的部分，即

类加载部分包括：加载、验证、准备、解析、初始化

其中解析也可能在初始化阶段之后，为了支持运行时绑定。

3.加载阶段

该流程是类加载机制中的一个阶段，需要完成任务包括：

(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java堆中生成一个代表这个类的Class对象，作为访问方法区中这些数据的入口。

注意：相对而言，加载阶段是可控性最强的阶段，开发人员可以选择不同的类加载器完成加载。类加载完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。（这也是反射的原理）

类加载器

作用：实现类的加载动作，确定类在虚拟机中的唯一性。

类加载类型：

(1) 启动（Bootstrap）类加载器：引导类装入器是用本地代码实现的类装入器，它负责将 <Java_Runtime_Home>/lib下面的核心类库或-Xbootclasspath选项指定的jar包加载到内存中。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节，开发者无法直接获取到启动类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作。

(2) 扩展（Extension）类加载器：扩展类加载器是由Sun的ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）实现的。它负责将< Java_Runtime_Home >/lib/ext或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位置中的类库加载到内存中。开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

(3) 应用程序（Application）类加载器：系统类加载器是由 Sun的 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）实现的。它负责将系统类路径java -classpath或-Djava.class.path变量所指的目录下的类库加载到内存中。开发者可以直接使用系统类加载器。

(4) 自定义类加载器：JVM自带的ClassLoader只是懂得从本地文件系统加载标准的java class文件，因此如果编写了自己的ClassLoader，便可以做到如下几点：1）在执行非置信代码之前，自动验证数字签名。2）动态地创建符合用户特定需要的定制化构建类。3）从特定的场所取得Java class，例如数据库中和网络中。当使用Applet的时候，就用到了特定的ClassLoader，因为这时需要从网络上加载java class，并且要检查相关的安全信息，应用服务器也大都使用了自定义的ClassLoader技术。

注意：如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

双亲委派模型：

这种层次关系称为类加载器的双亲委派模型。每一层上面的类加载器叫做当前层类加载器的父加载器，它们之间通过组合关系来复用父加载器中的代码。

双亲委派工作过程：

如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上，因此，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时，即无法完成该加载，子加载器才会尝试自己去加载该类。

双亲委派模型好处：

Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，保证了Java程序的稳定运作。例如，类java.lang.Object类存放在JDK\jre\lib下的rt.jar之中，因此无论是哪个类加载器要加载此类，最终都会委派给启动类加载器进行加载，这边保证了Object类在程序中的各种类加载器中都是同一个类。

4.验证阶段

验证的目的是为了确保Class文件中的字节流包含的信息符合当前虚拟机的要求，而且不会危害虚拟机自身的安全。不同的虚拟机对类验证的实现可能会有所不同，但大致都会完成以下四个阶段的验证：文件格式的验证、元数据的验证、字节码验证和符号引用验证。

5.准备阶段

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意：

(1) 这时进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。

(2) 设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是在Java代码中被显式地赋予的值。

例如：设一个类变量：public static int value = 123；

那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，把value赋值为123的putstatic指令是在程序编译后，存放于类构造器<clinit>()方法之中的，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。

注意：

(1) 对基本数据类型来说，对于类变量（static）和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。

(2) 对于同时被static和final修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。

(3) 对于引用数据类型reference来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即null。

(4) 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。

(5) 如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，即同时被final和static修饰，那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstValue属性所指定的值。即static final常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中。

6.解析阶段

解析阶段是虚拟机将常量池中的符号引用转化为直接引用的过程。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号引用进行，分别对应于常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info四种常量类型。

解析阶段可能开始于初始化之前，也可能在初始化之后开始，虚拟机会根据需要来判断，到底是在类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析（初始化之前），还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它（初始化之后）。

(1) 类或接口解析：判断所要转化成的直接引用是对数组类型，还是普通的对象类型的引用，从而进行不同的解析。

(2) 字段解析：对字段进行解析时，会先在本类中查找是否包含有简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，如果有，则查找结束；如果没有，则会按照继承关系从上往下递归搜索该类所实现的各个接口和它们的父接口，还没有，则按照继承关系从上往下递归搜索其父类，直至查找结束。

示例：

class Super{  
    public static int m = 11;  
    static{  
        System.out.println("执行了super类静态语句块");  
    }  
}  
  
  
class Father extends Super{  
    public static int m = 33;  
    static{  
        System.out.println("执行了父类静态语句块");  
    }  
}  
  
class Child extends Father{  
    static{  
        System.out.println("执行了子类静态语句块");  
    }  
}  
  
public class StaticTest{  
    public static void main(String[] args){  
        System.out.println(Child.m);  
    }  
}

结果：

执行了super类静态语句块
执行了父类静态语句块
33

如果注释掉Father类中对m定义的那一行，则输出结果如下：

执行了super类静态语句块
11

注意：理论上是按照上述顺序进行搜索解析，但在实际应用中，虚拟机的编译器实现可能要比上述规范要求的更严格一些。如果有一个同名字段同时出现在该类的接口和父类中，或同时在自己或父类的接口中出现，编译器可能会拒绝编译。

(3) 类方法解析：对类方法的解析与对字段解析的搜索步骤差不多，只是多了判断该方法所处的是类还是接口的步骤，而且对类方法的匹配搜索，是先搜索父类，再搜索接口。

(4) 接口方法解析：与类方法解析步骤类似，接口不会有父类，因此，只递归向上搜索父接口就行了。

7.初始化阶段

初始化是类加载机制的最后一步，这个时候才正真开始执行类中定义的JAVA程序代码。在前面准备阶段，类变量已经赋过一次系统要求的初始值，在初始化阶段最重要的事情就是对类变量进行初始化，关注的重点是父子类之间各类资源初始化的顺序。初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

<clinit>（）方法的执行规则:

(1) <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所决定的，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，在前面的静态语句中可以赋值，但是不能访问。

(2) <clinit>（）方法与实例构造器<init>（）方法（类的构造函数）不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的<clinit>（）方法执行之前，父类的<clinit>（）方法已经执行完毕。因此，在虚拟机中第一个被执行的<clinit>（）方法的类肯定是java.lang.Object。

(3) <clinit>（）方法对于类或接口来说并不是必须的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成<clinit>（）方法。

(4) 接口中不能使用静态语句块，但仍然有类变量（final static）初始化的赋值操作，因此接口与类一样会生成<clinit>（）方法。但是接口鱼类不同的是：执行接口的<clinit>（）方法不需要先执行父接口的<clinit>（）方法，只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>（）方法。

(5) 虚拟机会保证一个类的<clinit>（）方法在多线程环境中被正确地加锁和同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有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<clinit>（）方法完毕。如果在一个类的<clinit>（）方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

示例：

class Father{  
    public static int a = 1;  
    static{  
        a = 2;  
    }  
}  
  
class Child extends Father{  
    public static int b = a;  
}  
  
public class ClinitTest{  
    public static void main(String[] args){  
        System.out.println(Child.b);  
    }  
}  

结果：

2

解析：首先在准备阶段为类变量分配内存并设置类变量初始值，这样A和B均被赋值为默认值0，而后再在调用<clinit>（）方法时给它们赋予程序中指定的值。当调用Child.b时，触发Child的<clinit>（）方法，根据规则2，在此之前，要先执行完其父类Father的<clinit>（）方法，又根据规则1，在执行<clinit>（）方法时，需要按static语句或static变量赋值操作等在代码中出现的顺序来执行相关的static语句，因此当触发执行Father的<clinit>（）方法时，会先将a赋值为1，再执行static语句块中语句，将a赋值为2，而后再执行Child类的<clinit>（）方法，这样便会将b的赋值为2。

8.总结

整个类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以自定义类加载器参与之外，其余所有的动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化才开始执行类中定义的Java程序代码（亦及字节码），但这里的执行代码只是个开端，它仅限于<clinit>（）方法。类加载过程中主要是将Class文件（类的二进制字节流）加载到虚拟机内存中，真正执行字节码的操作，在加载完成后才真正开始。