Java的类加载机制

最近一直在回顾复习Java知识，希望能够从更深的角度去理解Java语言，也在从头开始看Thinking In Java，今天想总结下在Java的类加载机制。

系统可能在第一次使用某个类的时候加载该类，也可能采用预加载机制来加载某个类。当使用Java命令运行某个Java程序的时候，该命令将会启动一个java虚拟机进程，不管该Java程序有多么复杂，该程序内部启动了多少个线程，他们都处在java虚拟机进程里，同一个JVM的所有线程、所有的变量都处于同一个进程里，他们都使用该JVM进程的内存区。当系统出现以下情况时，JVM进程将会被终止。

• 程序运行到最后正常结束
• 程序运行到使用System.exit()或Runtime.getRuntime().exit()代码处结束程序
• 程序运行过程中遇到未捕获的异常或错误而结束
• 程序所在的平台强制结束了JVM进程

JVM类加载机制

如下图所示，JVM类加载机制分为五个部分：加载，验证，准备，解析，初始化，下面我们就分别来看一下这五个过程。

加载
加载是类加载过程中的一个阶段，这个阶段会在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的入口。注意这里不一定非得要从一个Class文件获取，这里既可以从ZIP包中读取（比如从jar包和war包中读取），也可以在运行时计算生成（动态代理），也可以由其它文件生成（比如将JSP文件转换成对应的Class类）。

验证
这一阶段的主要目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息是否符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。

准备
准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量的初始值阶段，即在方法区中分配这些变量所使用的内存空间。注意这里所说的初始值概念，比如一个类变量定义为：

public static int v = 8080;

在编译阶段会为v生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机会根据ConstantValue属性将v赋值为8080。

解析
解析阶段是指虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是class文件中的：
CONSTANT_Class_info
CONSTANT_Field_info
CONSTANT_Method_info
等类型的常量。下面我们解释一下符号引用和直接引用的概念：
符号引用与虚拟机实现的布局无关，引用的目标并不一定要已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。
直接引用可以是指向目标的指针，相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

初始化
初始化阶段是类加载最后一个阶段，前面的类加载阶段之后，除了在加载阶段可以自定义类加载器以外，其它操作都由JVM主导。到了初始阶段，才开始真正执行类中定义的Java程序代码。

初始化阶段是执行类构造器方法的过程。方法是由编译器自动收集类中的类变量的赋值操作和静态语句块中的语句合并而成的。虚拟机会保证方法执行之前，父类的方法已经执行完毕。p.s: 如果一个类中没有对静态变量赋值也没有静态语句块，那么编译器可以不为这个类生成()方法。

注意这里还有一个方法，这个方法称为实例构造器的方法，在对象进行初始化的时候，实例构造器会调用此方法进行实例变量的显式初始化，那么成员变量的默认初始化是在创建对象的时候，堆内存开辟内存空间，为实例变量进行默认的初始化。

PS:关于Java中成员变量初始化和内存机制
先看一个例子

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：

编译器将Person.java文件编译成Person.class字节码文件，然后将Person.class加载入到内存。即执行了类的加载，然后执行验证–>准备（在准备阶段会为改类的类变量分配内存空间并进行默认的初始化，基本类型默认赋值0，引用类型默认赋值null,boolean类型默认赋值false）–>解析—->初始化（初始化阶段会执行类构造器的方法进行类变量的显式赋值，和执行静态代码块中相关的赋值操作等）。类初始化完成之后，接着创建Person对象，分配内存空间，为实例变量进行默认初始化（整型默认0，引用类型默认null，boolean类型默认false等）然后将该对象的内存地址引用赋值给p。然后执行实例构造器的方法进行实例变量的显式初始化，执行代码块中的赋值等操作，然后执行构造函数的初始化操作。（如果存在继承关系那么总是先进行父类的初始化在进行子类的初始化）。在案例中age被static修饰属于类变量，为类所属只有一份，在所有类的内存空间里，为该类所有对象共享。name属于实例变量为对象所属，存在于对象的私有空间里。

类的初始化时机

• 创建类的实例（new 操作符、反射、反序列化）
• 调用某个类的类方法（静态方法）
• 访问某个类或接口的类变量或者为该类变量赋值
• 使用反射的方式来强制创建某个类或者接口对应的java.lang.Class对象，例如（Class.forName(“com.example.Person”)）,如果系统还未初 始化Person类，这段代码将会导致Person类被初始化，并返回Person类的java.lang.Class对象
• 初始化某个类的子类时，该子类的所有父类都会被初始化
• 直接使用java.exe命令来运行某个主类时，程序会先初始化该主类

注意以下几种情况不会执行类初始化

• 通过子类引用父类的静态字段，只会触发父类的初始化，而不会触发子类的初始化。
• 定义对象数组，不会触发该类的初始化。
• 常量在编译期间会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用定义常量的类，不会触发定义常量所在的类。
• 通过类名获取Class对象，不会触发类的初始化。
• 通过Class.forName加载指定类时，如果指定参数initialize为false时，也不会触发类初始化，其实这个参数是告诉虚拟机，是否要对类进行初始化。
• 通过ClassLoader默认的loadClass方法，也不会触发初始化动作。

类加载器

虚拟机设计团队把加载动作放到JVM外部实现，以便让应用程序决定如何获取所需的类，JVM提供了3种类加载器：

• 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：负责加载 JAVA_HOME\lib 目录中的，或通过-Xbootclasspath参数指定路径中的，且被虚拟机认可（按文件名识别，如rt.jar）的类。
• 扩展类加载器(Extension ClassLoader)：负责加载 JAVA_HOME\lib\ext 目录中的，或通过java.ext.dirs系统变量指定路径中的类库。
• 应用程序类加载器(Application ClassLoader)：负责加载用户路径（classpath）上的类库。

JVM通过双亲委派模型进行类的加载，当然我们也可以通过继承java.lang.ClassLoader实现自定义的类加载器。

当一个类加载器收到类加载任务，会先交给其父类加载器去完成，因此最终加载任务都会传递到顶层的启动类加载器，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才会尝试执行加载任务。

采用双亲委派的一个好处是比如加载位于rt.jar包中的类java.lang.Object，不管是哪个加载器加载这个类，最终都是委托给顶层的启动类加载器进行加载，这样就保证了使用不同的类加载器最终得到的都是同样一个Object对象。

在有些情境中可能会出现要我们自己来实现一个类加载器的需求，由于这里涉及的内容比较广泛，我想以后单独写一篇文章来讲述，不过这里我们还是稍微来看一下。我们直接看一下jdk中的ClassLoader的源码实现：

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;
}

首先通过Class c = findLoadedClass(name);判断一个类是否已经被加载过。
如果没有被加载过执行if (c == null)中的程序，遵循双亲委派的模型，首先会通过递归从父加载器开始找，直到父类加载器是Bootstrap ClassLoader为止。
最后根据resolve的值，判断这个class是否需要解析。
而上面的findClass()的实现如下，直接抛出一个异常，并且方法是protected，很明显这是留给我们开发者自己去实现的。重写findClass方法来实现我们自己的类加载器。

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