Java的類加載機制

最近一直在回顧複習Java知識，希望能夠從更深的角度去理解Java語言，也在從頭開始看Thinking In Java，今天想總結下在Java的類加載機制。

系統可能在第一次使用某個類的時候加載該類，也可能採用預加載機制來加載某個類。當使用Java命令運行某個Java程序的時候，該命令將會啓動一個java虛擬機進程，不管該Java程序有多麼複雜，該程序內部啓動了多少個線程，他們都處在java虛擬機進程裏，同一個JVM的所有線程、所有的變量都處於同一個進程裏，他們都使用該JVM進程的內存區。當系統出現以下情況時，JVM進程將會被終止。

• 程序運行到最後正常結束
• 程序運行到使用System.exit()或Runtime.getRuntime().exit()代碼處結束程序
• 程序運行過程中遇到未捕獲的異常或錯誤而結束
• 程序所在的平臺強制結束了JVM進程

JVM類加載機制

如下圖所示，JVM類加載機制分爲五個部分：加載，驗證，準備，解析，初始化，下面我們就分別來看一下這五個過程。

加載
加載是類加載過程中的一個階段，這個階段會在內存中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象，作爲方法區這個類的各種數據的入口。注意這裏不一定非得要從一個Class文件獲取，這裏既可以從ZIP包中讀取（比如從jar包和war包中讀取），也可以在運行時計算生成（動態代理），也可以由其它文件生成（比如將JSP文件轉換成對應的Class類）。

驗證
這一階段的主要目的是爲了確保Class文件的字節流中包含的信息是否符合當前虛擬機的要求，並且不會危害虛擬機自身的安全。

準備
準備階段是正式爲類變量分配內存並設置類變量的初始值階段，即在方法區中分配這些變量所使用的內存空間。注意這裏所說的初始值概念，比如一個類變量定義爲：

public static int v = 8080;

在編譯階段會爲v生成ConstantValue屬性，在準備階段虛擬機會根據ConstantValue屬性將v賦值爲8080。

解析
解析階段是指虛擬機將常量池中的符號引用替換爲直接引用的過程。符號引用就是class文件中的：
CONSTANT_Class_info
CONSTANT_Field_info
CONSTANT_Method_info
等類型的常量。下面我們解釋一下符號引用和直接引用的概念：
符號引用與虛擬機實現的佈局無關，引用的目標並不一定要已經加載到內存中。各種虛擬機實現的內存佈局可以各不相同，但是它們能接受的符號引用必須是一致的，因爲符號引用的字面量形式明確定義在Java虛擬機規範的Class文件格式中。
直接引用可以是指向目標的指針，相對偏移量或是一個能間接定位到目標的句柄。如果有了直接引用，那引用的目標必定已經在內存中存在。

初始化
初始化階段是類加載最後一個階段，前面的類加載階段之後，除了在加載階段可以自定義類加載器以外，其它操作都由JVM主導。到了初始階段，纔開始真正執行類中定義的Java程序代碼。

初始化階段是執行類構造器方法的過程。方法是由編譯器自動收集類中的類變量的賦值操作和靜態語句塊中的語句合併而成的。虛擬機會保證方法執行之前，父類的方法已經執行完畢。p.s: 如果一個類中沒有對靜態變量賦值也沒有靜態語句塊，那麼編譯器可以不爲這個類生成()方法。

注意這裏還有一個方法，這個方法稱爲實例構造器的方法，在對象進行初始化的時候，實例構造器會調用此方法進行實例變量的顯式初始化，那麼成員變量的默認初始化是在創建對象的時候，堆內存開闢內存空間，爲實例變量進行默認的初始化。

PS:關於Java中成員變量初始化和內存機制
先看一個例子

public class Person{


    private static int age;
    private String name;

    //setter getter....
}


public class PersonTest{
    public static void main(String[] args){
        Person p=new Person();
    }
}

分析流程：

編譯器將Person.java文件編譯成Person.class字節碼文件，然後將Person.class加載入到內存。即執行了類的加載，然後執行驗證–>準備（在準備階段會爲改類的類變量分配內存空間並進行默認的初始化，基本類型默認賦值0，引用類型默認賦值null,boolean類型默認賦值false）–>解析—->初始化（初始化階段會執行類構造器的方法進行類變量的顯式賦值，和執行靜態代碼塊中相關的賦值操作等）。類初始化完成之後，接着創建Person對象，分配內存空間，爲實例變量進行默認初始化（整型默認0，引用類型默認null，boolean類型默認false等）然後將該對象的內存地址引用賦值給p。然後執行實例構造器的方法進行實例變量的顯式初始化，執行代碼塊中的賦值等操作，然後執行構造函數的初始化操作。（如果存在繼承關係那麼總是先進行父類的初始化在進行子類的初始化）。在案例中age被static修飾屬於類變量，爲類所屬只有一份，在所有類的內存空間裏，爲該類所有對象共享。name屬於實例變量爲對象所屬，存在於對象的私有空間裏。

類的初始化時機

• 創建類的實例（new 操作符、反射、反序列化）
• 調用某個類的類方法（靜態方法）
• 訪問某個類或接口的類變量或者爲該類變量賦值
• 使用反射的方式來強制創建某個類或者接口對應的java.lang.Class對象，例如（Class.forName(“com.example.Person”)）,如果系統還未初 始化Person類，這段代碼將會導致Person類被初始化，並返回Person類的java.lang.Class對象
• 初始化某個類的子類時，該子類的所有父類都會被初始化
• 直接使用java.exe命令來運行某個主類時，程序會先初始化該主類

注意以下幾種情況不會執行類初始化

• 通過子類引用父類的靜態字段，只會觸發父類的初始化，而不會觸發子類的初始化。
• 定義對象數組，不會觸發該類的初始化。
• 常量在編譯期間會存入調用類的常量池中，本質上並沒有直接引用定義常量的類，不會觸發定義常量所在的類。
• 通過類名獲取Class對象，不會觸發類的初始化。
• 通過Class.forName加載指定類時，如果指定參數initialize爲false時，也不會觸發類初始化，其實這個參數是告訴虛擬機，是否要對類進行初始化。
• 通過ClassLoader默認的loadClass方法，也不會觸發初始化動作。

類加載器

虛擬機設計團隊把加載動作放到JVM外部實現，以便讓應用程序決定如何獲取所需的類，JVM提供了3種類加載器：

• 啓動類加載器(Bootstrap ClassLoader)：負責加載 JAVA_HOME\lib 目錄中的，或通過-Xbootclasspath參數指定路徑中的，且被虛擬機認可（按文件名識別，如rt.jar）的類。
• 擴展類加載器(Extension ClassLoader)：負責加載 JAVA_HOME\lib\ext 目錄中的，或通過java.ext.dirs系統變量指定路徑中的類庫。
• 應用程序類加載器(Application ClassLoader)：負責加載用戶路徑（classpath）上的類庫。

JVM通過雙親委派模型進行類的加載，當然我們也可以通過繼承java.lang.ClassLoader實現自定義的類加載器。

當一個類加載器收到類加載任務，會先交給其父類加載器去完成，因此最終加載任務都會傳遞到頂層的啓動類加載器，只有當父類加載器無法完成加載任務時，纔會嘗試執行加載任務。

採用雙親委派的一個好處是比如加載位於rt.jar包中的類java.lang.Object，不管是哪個加載器加載這個類，最終都是委託給頂層的啓動類加載器進行加載，這樣就保證了使用不同的類加載器最終得到的都是同樣一個Object對象。

在有些情境中可能會出現要我們自己來實現一個類加載器的需求，由於這裏涉及的內容比較廣泛，我想以後單獨寫一篇文章來講述，不過這裏我們還是稍微來看一下。我們直接看一下jdk中的ClassLoader的源碼實現：

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException {
    // First, check if the class has already been loaded
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            if (parent != null) {
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                c = findBootstrapClass0(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // If still not found, then invoke findClass in order
            // to find the class.
            c = findClass(name);
        }
    }
    if (resolve) {
        resolveClass(c);
    }
    return c;
}

首先通過Class c = findLoadedClass(name);判斷一個類是否已經被加載過。
如果沒有被加載過執行if (c == null)中的程序，遵循雙親委派的模型，首先會通過遞歸從父加載器開始找，直到父類加載器是Bootstrap ClassLoader爲止。
最後根據resolve的值，判斷這個class是否需要解析。
而上面的findClass()的實現如下，直接拋出一個異常，並且方法是protected，很明顯這是留給我們開發者自己去實現的。重寫findClass方法來實現我們自己的類加載器。

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
}