java虛擬機（4）--類加載機制
類加載機制
類是在運行期間第一次使用時動態加載的，而不是編譯時期一次性加載。因為如果在編譯時期一次性加載，那麽會占用很多的內存。
1.1 類的生命周期
包括以下 7 個階段：
- 加載（Loading）
- 驗證（Verification）
- 準備（Preparation）
- 解析（Resolution）
- 初始化（Initialization）
- 使用（Using）
- 卸載（Unloading）
1.2 類加載過程
包含加載，驗證，準備，解析，初始化這5個階段
1.2.1 加載
加載是類加載的一個階段，註意不要混淆。
加載過程完成以下三件事：
- 通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進制字節流。
- 將這個字節流所代表的靜態存儲結構轉化為方法區的運行時存儲結構。
- 在內存中生成一個代表這個類的 Class 對象，作為方法區這個類的各種數據的訪問入口。
其中二進制字節流可以從以下方式中獲取：
- 從 ZIP 包讀取，成為 JAR、EAR、WAR 格式的基礎。
- 從網絡中獲取，最典型的應用是 Applet。
- 運行時計算生成，例如動態代理技術，在 java.lang.reflect.Proxy 使用 ProxyGenerator.generateProxyClass 的代理類的二進制字節流。
- 由其他文件生成，例如由 JSP 文件生成對應的 Class 類。
1.2.2 驗證
確保 Class 文件的字節流中包含的信息符合當前虛擬機的要求，並且不會危害虛擬機自身的安全。
1.2.3 準備
類變量是被 static 修飾的變量，準備階段為類變量分配內存並設置初始值，使用的是方法區的內存。
實例變量不會在這階段分配內存，它將會在對象實例化時隨著對象一起分配在堆中。
註意，實例化不是類加載的一個過程，類加載發生在所有實例化操作之前，並且類加載只進行一次，實例化可以進行多次。
初始值一般為 0 值，例如下面的類變量 value 被初始化為 0 而不是 123。
public static int value = 123;
如果類變量是常量，那麽會按照表達式來進行初始化，而不是賦值為 0。
public static final int value = 123;
1.2.4 解析
將常量池的符號引用替換為直接引用的過程。
其中解析過程在某些情況下可以在初始化階段之後再開始，這是為了支持 Java 的動態綁定。
1.2.5 初始化
初始化階段才真正開始執行類中定義的 Java 程序代碼。初始化階段即虛擬機執行類構造器 <clinit>() 方法的過程。
在準備階段，類變量已經賦過一次系統要求的初始值，而在初始化階段，根據程序員通過程序制定的主觀計劃[陳文文1] 去初始化類變量和其它資源。
<clinit>() 方法具有以下特點：
- 是由編譯器自動收集類中所有類變量的賦值動作和靜態語句塊中的語句合並產生的，編譯器收集的順序由語句在源文件中出現的順序決定。特別註意的是，靜態語句塊只能訪問到定義在它之前的類變量，定義在它之後的類變量只能賦值，不能訪問。例如以下代碼：[陳文文2]
public class Test {
static {
i = 0; // 給變量賦值可以正常編譯通過
System.out.print(i); // 這句編譯器會提示“非法向前引用”
}
static int i = 1;
}
- 與類的構造函數（或者說實例構造器 <init>()）不同，不需要顯式的調用父類的構造器。虛擬機會自動保證在子類的 <clinit>() 方法運行之前，父類的 <clinit>() 方法已經執行結束。[陳文文3] 因此虛擬機中第一個執行 <clinit>() 方法的類肯定為 java.lang.Object。
- 由於父類的 <clinit>() 方法先執行，也就意味著父類中定義的靜態語句塊的執行要優先於子類。例如以下代碼：
static class Parent {
public static int A = 1;
static {
A = 2;
}
}
static class Sub extends Parent {
public static int B = A;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(Sub.B); // 2
}
- <clinit>() 方法對於類或接口不是必須的，如果一個類中不包含靜態語句塊，也沒有對類變量的賦值操作，編譯器可以不為該類生成 <clinit>() 方法。[陳文文4]
- 接口中不可以使用靜態語句塊，但仍然有類變量初始化的賦值操作，因此接口與類一樣都會生成 <clinit>() 方法。但接口與類不同的是，執行接口的 <clinit>() 方法不需要先執行父接口的 <clinit>() 方法。只有當父接口中定義的變量使用時，父接口才會初始化。另外，接口的實現類在初始化時也一樣不會執行接口的 <clinit>() 方法。[陳文文5]
- 虛擬機會保證一個類的 <clinit>() 方法在多線程環境下被正確的加鎖和同步，如果多個線程同時初始化一個類，只會有一個線程執行這個類的 <clinit>() 方法，其它線程都會阻塞等待，直到活動線程執行 <clinit>() 方法完畢。如果在一個類的 <clinit>() 方法中有耗時的操作，就可能造成多個線程阻塞，在實際過程中此種阻塞很隱蔽[陳文文6] 。
1.3 類初始化時機
1.3.1 主動引用
虛擬機規範中並沒有強制約束何時進行加載，但是規範嚴格規定了有且只有下列五種情況必須對類進行初始化（加載、驗證、準備都會隨之發生）：
- 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 這四條字節碼指令時，如果類沒有進行過初始化，則必須先觸發其初始化。最常見的生成這 4 條指令的場景是：使用 new 關鍵字實例化對象的時候；讀取或設置一個類的靜態字段（被 final 修飾、已在編譯期把結果放入常量池的靜態字段除外）的時候；以及調用一個類的靜態方法的時候。
- 使用 java.lang.reflect 包的方法對類進行反射調用的時候，如果類沒有進行初始化，則需要先觸發其初始化。
- 當初始化一個類的時候，如果發現其父類還沒有進行過初始化，則需要先觸發其父類的初始化。
- 當虛擬機啟動時，用戶需要指定一個要執行的主類（包含 main() 方法的那個類），虛擬機會先初始化這個主類；
- 當使用 JDK 1.7 的動態語言支持時，如果一個 java.lang.invoke.MethodHandle 實例最後的解析結果為 REF_getStatic, REF_putStatic, REF_invokeStatic 的方法句柄，並且這個方法句柄所對應的類沒有進行過初始化，則需要先觸發其初始化；
1.3.2 被動引用[陳文文7]
以上 5 種場景中的行為稱為對一個類進行主動引用。除此之外，所有引用類的方式都不會觸發初始化，稱為被動引用。被動引用的常見例子包括：
- 通過子類引用父類的靜態字段，不會導致子類初始化。
System.out.println(SubClass.value); // value 字段在 SuperClass 中定義
- 通過數組定義來引用類，不會觸發此類的初始化。該過程會對數組類進行初始化，數組類是一個由虛擬機自動生成的、直接繼承自 Object 的子類，其中包含了數組的屬性和方法。
SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
- 常量在編譯階段會存入調用類的常量池中，本質上並沒有直接引用到定義常量的類，因此不會觸發定義常量的類的初始化。
System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
1.4 類與類加載器
兩個類相等需要類本身相等，並且使用同一個類加載器進行加載。這是因為每一個類加載器都擁有一個獨立的類名稱空間。
這裏的相等，包括類的 Class 對象的 equals() 方法、isAssignableFrom() 方法、isInstance() 方法的返回結果為 true，也包括使用 instanceof 關鍵字做對象所屬關系判定結果為 true。
1.5 類加載器分類
從 Java 虛擬機的角度來講，只存在以下兩種不同的類加載器：
- 啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader），這個類加載器用 C++ 實現，是虛擬機自身的一部分；
- 所有其他類的加載器，這些類由 Java 實現，獨立於虛擬機外部，並且全都繼承自抽象類 java.lang.ClassLoader。
從 Java 開發人員的角度看，類加載器可以劃分得更細致一些：
- 啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader）此類加載器負責將存放在 <JRE_HOME>\lib 目錄中的，或者被 -Xbootclasspath 參數所指定的路徑中的，並且是虛擬機識別的（僅按照文件名識別，如 rt.jar，名字不符合的類庫即使放在 lib 目錄中也不會被加載）類庫加載到虛擬機內存中。啟動類加載器無法被 Java 程序直接引用，用戶在編寫自定義類加載器時，如果需要把加載請求委派給啟動類加載器，直接使用 null 代替即可。
- 擴展類加載器（Extension ClassLoader）這個類加載器是由 ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）實現的。它負責將 <JAVA_HOME>/lib/ext 或者被 java.ext.dir 系統變量所指定路徑中的所有類庫加載到內存中，開發者可以直接使用擴展類加載器。
- 應用程序類加載器（Application ClassLoader）這個類加載器是由 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）實現的。由於這個類加載器是 ClassLoader 中的 getSystemClassLoader() 方法的返回值，因此一般稱為系統類加載器。它負責加載用戶類路徑（ClassPath）上所指定的類庫，開發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程序中默認的類加載器。
1.6 雙親委派模型
應用程序都是由三種類加載器相互配合進行加載的，如果有必要，還可以加入自己定義的類加載器。
下圖展示的類加載器之間的層次關系，稱為類加載器的雙親委派模型（Parents Delegation Model）。該模型要求除了頂層的啟動類加載器外，其余的類加載器都應有自己的父類加載器。這裏類加載器之間的父子關系一般通過組合（Composition）關系來實現，而不是通過繼承（Inheritance）的關系實現。
1.6.1 工作過程
一個類加載器首先將類加載請求傳送到父類加載器，只有當父類加載器無法完成類加載請求時自己才嘗試加載。
1.6.2 好處
使得 Java 類隨著它的類加載器一起具有一種帶有優先級的層次關系，從而使得基礎類得到統一。
例如 java.lang.Object 存放在 rt.jar 中，如果編寫另外一個 java.lang.Object 的類並放到 ClassPath 中，程序可以編譯通過。由於雙親委派模型的存在，所以在 rt.jar 中的 Object 比在 ClassPath 中的 Object 優先級更高，這是因為 rt.jar 中的 Object 使用的是啟動類加載器，而 ClassPath 中的 Object 使用的是應用程序類加載器。rt.jar 中的 Object 優先級更高，那麽程序中所有的 Object 都是這個 Object。
1.6.3 實現
以下是抽象類 java.lang.ClassLoader 的代碼片段，其中的 loadClass() 方法運行過程如下：先檢查類是否已經加載過，如果沒有則讓父類加載器去加載。當父類加載器加載失敗時拋出 ClassNotFoundException，此時嘗試自己去加載。
public abstract class ClassLoader { // The parent class loader for delegation private final ClassLoader parent; public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException { return loadClass(name, false); } protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // 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 = findBootstrapClassOrNull(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { // ClassNotFoundException thrown if class not found // from the non-null parent class loader } if (c == null) { // If still not found, then invoke findClass in order // to find the class. c = findClass(name); } } if (resolve) { resolveClass(c); } return c; } } protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { throw new ClassNotFoundException(name); } }
1.7 自定義類加載器實現
FileSystemClassLoader 是自定義類加載器，繼承自 java.lang.ClassLoader，用於加載文件系統上的類。它首先根據類的全名在文件系統上查找類的字節代碼文件（.class 文件），然後讀取該文件內容，最後通過 defineClass() 方法來把這些字節代碼轉換成 java.lang.Class 類的實例。
java.lang.ClassLoader 的 loadClass() 實現了雙親委派模型的邏輯，因此自定義類加載器一般不去重寫它，但是需要重寫 findClass() 方法。
public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader { private String rootDir; public FileSystemClassLoader(String rootDir) { this.rootDir = rootDir; } protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { byte[] classData = getClassData(name); if (classData == null) { throw new ClassNotFoundException(); } else { return defineClass(name, classData, 0, classData.length); } } private byte[] getClassData(String className) { String path = classNameToPath(className); try { InputStream ins = new FileInputStream(path); ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); int bufferSize = 4096; byte[] buffer = new byte[bufferSize]; int bytesNumRead; while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1) { baos.write(buffer, 0, bytesNumRead); } return baos.toByteArray(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } return null; } private String classNameToPath(String className) { return rootDir + File.separatorChar + className.replace(‘.‘, File.separatorChar) + ".class"; } }
[陳文文1]程序代碼
[陳文文2]所以類變量的賦值動作+靜態語句塊中的語句。
註意：靜態語句塊只能訪問定義它前面的類變量，後面的可以賦值，不能訪問。
[陳文文3]虛擬機保證，先調用父類構造，後調用子類。父類是java.lang.Object
[陳文文4]當類（接口）中不包含靜態語句塊，也沒有對類變量的賦值操作，編譯器不調用構造。
[陳文文5]接口中沒有靜態代碼塊，但是有類變量初始化的賦值，一樣會生成<clinit>()方法。但接口（實現類）中，不會執行父類的<clinit>()方法。只有使用到父類的變量時才執行。
[陳文文6]虛擬機自動包裝類的<clinit>()方法在多線程下正確加鎖和同步。
- [陳文文7]子類訪問父類的靜態字段，不會初始化子類
- 數組定義來引用類，不會出發此類。對數組類進行初始化。繼承Object的子類。數組屬性和方法。
- 常量在編譯階段存放在調用類中的常量池中，沒有直接引用到所在類。
java虛擬機（4）--類加載機制