前言

在上一次文章「一文让你明白Java字节码」中,
我们了解了java字节码的解析过程，那么在接下来的内容中，我们来了解一下类的加载机制。

作者博客

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文章目录

为什么要学习类的加载机制？
引子
关于加载

什么是类的加载？
什么时候对类进行加载呢？

类加载器

什么是类加载器？
Java自带有3种类加载器
双亲委派机制
为何要双亲委派机制？

类的连接

验证阶段。
准备阶段
解析阶段

初始化时机
类的初始化步骤
结束JVM进程的几种方式
结束并回顾

1

为什么要学习类的加载机制？

Java的核心是什么？当然是JVM了，所以说了解并熟悉JVM对于我们理解Java语言非常重要，不管你是做Java还是Android，熟悉JVM是我们每个Java、Android开发者必不可少的技能。如果你现在觉得Android的开发到了天花板的地步，那不妨往下走走，一起探索JAVA层面的内容。如果我们不了解自己写的代码是如何被执行的，那么我们只是一个会写代码的程序员，我们知其然不知其所以然。看到很多人说现在工作难找，真是这样吗？如果我们足够优秀，工作还难找吗？如果我们底子足够深，需要找工作吗？找不到工作多想想自己的原因，总是抱怨环境是没有用的，因为你没办法去改变坏境。如果我们一直停留在框架层面，停留在新的功能层面，那么我们的优势在哪里呢？所以说，我们不仅要学会写代码，还要知道为什么这样写代码，这才是我们的核心竞争力之一。这样我们的差异化才能够体现出来，不信？我们走着瞧......我们第一个差异化就是对JVM的掌握，而今天的内容类加载机制是JVM比较核心的部分，如果你想和别人不一样，那就一起仔细研究研究这次的内容吧。

2

引子

为了看看自己是否掌握了类加载机制，我们看看一道题：

上面是一个Singleton类，有3个静态变量，下面是一个测试类，打印出静态属性的值，就是这么简单。

在往下看之前，大家先看看这道题的输出是啥？如果你清楚知道为什么，那么说明你掌握了类的加载机制，往下看或许有不一样的收获；如果你不懂，那就更要往下看了。我们先不讲这道题，待我们了解了类的加载机制之后，回过头看看这道题，或许有恍然大悟的感觉，或许讲完之后你会怀疑自己是否真正了解Java，或许你写了这么多年的Java都不了解它的执行机制，是不是很丢人呢？不过没关系，马上你就不丢人了。

3

关于加载

a

什么是类的加载？

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入内存中,将其放在运行时数据区域的方法去内,然后在堆中创建java.lang.Class对象,用来封装类在方法区的数据结构.只有java虚拟机才会创建class对象,并且是一一对应关系.这样才能通过反射找到相应的类信息.

我们上面提到过Class这个类，这个类我们并没有new过，这个类是由java虚拟机创建的。通过它可以找到类的信息，我们来看下源码:

从上面贴出的Class类的构造方法源码中，我们知道这个构造器是私有的，并且只有虚拟机才能创建这个类的对象。

b

什么时候对类进行加载呢？

Java虚拟机有预加载功能。类加载器并不需要等到某个类被"首次主动使用"时再加载它,JVM规范规定JVM可以预测加载某一个类，如果这个类出错，但是应用程序没有调用这个类， JVM也不会报错；如果调用这个类的话，JVM才会报错，（LinkAgeError错误)。其实就是一句话，Java虚拟机有预加载功能。

4

类加载器

讲到类加载，我们不得不了解类加载器.

a

什么是类加载器？

类加载器负责对类的加载。

b

Java自带有3种类加载器

根类加载器,使用c++编写(BootStrap),负责加载rt.jar
扩展类加载器,java实现(ExtClassLoader)
应用加载器,java实现(AppClassLoader) classpath

根类加载器，是用c++实现的，我们没有办法在java层面看到；我们接下来看看ExtClassLoader的代码,它是在Launcher类中

static class ExtClassLoader extends URLClassLoader

同时我们看看AppClassLoader，它也是在Launcher中

static class AppClassLoader extends URLClassLoader

他们同时继承一个类URLClassLoader。
关于这种层次关系，看起来像继承，其实不是的。我们看到上面的代码就知道ExtClassLoader和AppClassLoader同时继承同一个类。同时我们来看下ClassLoader的loadClass方法也可以知道，下面贴出源代码：

源码没有全部贴出，只是贴出关键代码。从上面代码我们知道首先会检查class是否已经加载了，如果已经加载那就直接拿出，否则再进行加载。其中有一个parent属性，就是表示父加载器。这点正好说明了加载器之间的关系并不是继承关系。

c

双亲委派机制

关于类加载器，我们不得不说一下双亲委派机制。听着很高大上，其实很简单。比如A类的加载器是AppClassLoader(其实我们自己写的类的加载器都是AppClassLoader)，AppClassLoader不会自己去加载类，而会委ExtClassLoader进行加载，那么到了ExtClassLoader类加载器的时候，它也不会自己去加载，而是委托BootStrap类加载器进行加载，就这样一层一层往上委托，如果Bootstrap类加载器无法进行加载的话，再一层层往下走。
上面的源码也说明了这点。

d

为何要双亲委派机制

对于我们技术来讲，我们不但要知其然，还要知其所以然。为何要采用双亲委派机制呢？了解为何之前，我们先来说明一个知识点：
判断两个类相同的前提是这两个类都是同一个加载器进行加载的，如果使用不同的类加载器进行加载同一个类，也会有不同的结果。我们看一个例子：

大家可以看看输出的是什么？我们自己定义了一个类加载器，让它去加载我们自己写的一个类，然后判断由我们写的类加载器加载的类是否是MyClassLoader的一个实例。
答案是否定的。为什么？因为jvm.classloader.MyClassLoader是在classpath下面，是由AppClassLoader加载器加载的，而我们却指定了自己的加载器，当然加载出来的类就不相同了。不信，我们将他的父类加载器都打印出来。在上面代码中加入下面代码：

对比一下下面的代码：

第一个是我们自己加载器加载的类，第二个是直接new的一个对象，是由App类加载器进行加载的，我们把它们的父类加载器打印出来了，可以看出他们的加载器是不一样的。很奇怪为何会执行classloader==null这句话。其实classloader==null表示的就是根类加载器。我们看看Class.getClassLoader()方法源码：

从注释中我们知道了，如果返回了null，表示的是bootstrap类加载器。

5

类的连接

讲完了类的加载之后，我们需要了解一下类的连接。类的连接有三步，分别是验证，准备，解析。下面让我们一一了解

a

验证阶段

验证阶段主要做了以下工作
-将已经读入到内存类的二进制数据合并到虚拟机运行时环境中去。
-类文件结构检查:格式符合jvm规范-语义检查:符合java语言规范,final类没有子类,final类型方法没有被覆盖
-字节码验证:确保字节码可以安全的被java虚拟机执行.
二进制兼容性检查:确保互相引用的类的一致性.如A类的a方法会调用B类的b方法.那么java虚拟机在验证A类的时候会检查B类的b方法是否存在并检查版本兼容性.因为有可能A类是由jdk1.7编译的，而B类是由1.8编译的。那根据向下兼容的性质，A类引用B类可能会出错，注意是可能。

b

准备阶段

java虚拟机为类的静态变量分配内存并赋予默认的初始值.如int分配4个字节并赋值为0,long分配8字节并赋值为0;

c

解析阶段

解析阶段主要是将符号引用转化为直接引用的过程。比如 A类中的a方法引用了B类中的b方法，那么它会找到B类的b方法的内存地址，将符号引用替换为直接引用(内存地址)。

6

初始化时机

类的加载时机5.2中我们提到了“首次主动使用”这个词语，那什么是“主动使用”呢？

主动初始化的6种方式
(1)创建对象的实例：我们new对象的时候，会引发类的初始化，前提是这个类没有被初始化。
(2)调用类的静态属性或者为静态属性赋值
(3)调用类的静态方法
(4)通过class文件反射创建对象
(5)初始化一个类的子类：使用子类的时候先初始化父类
(6)java虚拟机启动时被标记为启动类的类：就是我们的main方法所在的类
只有上面6种情况才是主动使用，也只有上面六种情况的发生才会引发类的初始化。

同时我们需要注意下面几个Tips:
1)在同一个类加载器下面只能初始化类一次,如果已经初始化了就不必要初始化了.
这里多说一点，为什么只初始化一次呢？因为我们上面讲到过类加载的最终结果就是在堆中存有唯一一个Class对象，我们通过Class对象找到
类的相关信息。唯一一个Class对象说明了类只需要初始化一次即可，如果再次初始化就会出现多个Class对象，这样和唯一相违背了。
2)在编译的时候能确定下来的静态变量(编译常量),不会对类进行初始化;
3)在编译时无法确定下来的静态变量(运行时常量),会对类进行初始化;
4)如果这个类没有被加载和连接的话,那就需要进行加载和连接
5)如果这个类有父类并且这个父类没有被初始化,则先初始化父类.
6)如果类中存在初始化语句,依次执行初始化语句.

上面和下面的例子大家对比下，然后自己看看输出的是什么？

第一个输出的是
2
第二个输出的是
FinalTest2 static block
61（随机数）
为何会出现这样的结果呢？
参考上面的Tips2和Tips3，第一个能够在编译时期确定的，叫做编译常量；第二个是运行时才能确定下来的，叫做运行时常量。编译常量不会引起类的初始化，而运行常量就会。

那么将第一个例子的final去掉之后呢？输出又是什么呢？
这就是对类的首次主动使用，引用类的静态变量，输出的当然是：
FinalTest static block
2
那么在第一个例子的输出语句下面添加
FinalTest.x =3；
又会输出什么呢？
大家不妨试试！提示（Tips1）

7

类的初始化步骤

讲到这里我们应该对类的加载-连接-初始化有一个全局概念了，那么接下来我们看看类具体初始化执行步骤。我们分两种情况讨论，一种是类有父类，一种是类没有父类。（当然所有类的顶级父类都是Object）

没有父类的情况：

类的静态属性
类的静态代码块
类的非静态属性
类的非静态代码块
构造方法

有父类的情况:

父类的静态属性
父类的静态代码块
子类的静态属性
子类的静态代码块
父类的非静态属性
父类的非静态代码块
父类构造方法
子类非静态属性
子类非静态代码块
子类构造方法

在这要说明下，静态代码块和静态属性是等价的，他们是按照代码顺序执行的。
类的初始化内容这样看起来还是挺多的，包括“主动使用”大家可以自己去写一些demo去验证一下。

8

结束JVM进程的几种方式

(1) 执行System.exit()
(2) 程序正常结束
(3) 程序抛出异常,一直向上抛出没处理
(4) 操作系统异常,导致JVM退出

JVM有上面4种结束的方式，我们一一了解下：

(1)我们先来看看第一种方式，找到源代码我们发现：

上面的代码解释了System.exit()方法的作用就是：是中断当前运行的java虚拟机。这是自杀方式。

(2)第二种程序正常结束的方式，我们在运行main方法的时候，运行状态按钮由绿色变红色再变绿色的过程就是程序启动-运行-结束的过程。那么，我们来看看Android的程序，同样，安卓也有自己的启动方式，也是一个main方法。那么我们的android程序能够一直运行的前提就是我们的main方法一直被执行着，一旦main方法执行完毕，程序就是kill。我们找找源代码才能有更好的说服力；我们找到ActivityThread的main方法

上面的代码都不用看，直接看最后两行代码。执行完Looper.loop()之后，直接抛出了异常。但是我们并没有见到这个异常，说明我们的Looper一直在执行这样保证我们的app不被kill掉。Android就是用这种方式来保证我们的app一直运行下去的。

(3)第三种方式不用过多解释，一直没有处理被抛出的异常，这样导致了程序崩溃。

(4)第四种方式是系统异常导致了jvm退出。其实jvm就是一个软件，如果我们的操作系统都出现了错误，那么运行在他上面的软件（jvm）必然会被kill。

9

结束并回顾

到这里，我们基本都清楚了类的加载机制。那么我们在第一篇文章中开头提到一个例子，我们这里来讲讲输出的是什么，并且为何如此输出，大家坐稳。

下面是我们的测试类TestSingleton

输出是：
counter1=1
counter2=0
why？我们一步一步分析：

1 执行TestSingleton第一句的时候，因为我们没有对Singleton类进行加载和连接，所以我们首先需要对它进行加载和连接操作。在连接阶-准备阶段，我们要讲给静态变量赋予默认初始值。
singleton =null
counter1 =0
counter2 =0

2 加载和连接完毕之后，我们再进行初始化工作。初始化工作是从上往下依次执行的，注意这个时候还没有调用Singleton.getSingleton();
首先 singleton = new Singleton();这样会执行构造方法内部逻辑，进行++；此时counter1=1，counter2 =1 ；
接下来再看第二个静态属性，我们并没有对它进行初始化，所以它就没办法进行初始化工作了；
第三个属性counter2我们初始化为0，因此此时的counter2 =1 ；

3 初始化完毕之后我们就要调用静态方法Singleton.getSingleton(); 我们知道返回的singleton已经初始化了。
那么输出的内容也就理所当然的是1和0了。这样一步一步去理解程序执行过程是不是让你清晰的认识了java虚拟机执行程序的逻辑呢。

那么我们接下来改变一下代码顺序，将

public static int counter1;

public static int counter2 = 0;

private static Singleton singleton = new Singleton();
又会输出什么呢？为什么这样输出呢？
这个问题留给大家去思考，主要还是理解为什么这样输出才是最重要的。