java类加载机制

DAI梦想家
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类加载机制可以分成[类加载全过程]、[类加载器].(知识点都是这样的,怎么拆分有助于理解,就怎么拆分...)

类加载全过程

  • 开始前的约定:
    • 除非特别说明,否则下文中[Class文件]可能代表着Java语言中的一个类或接口,[类]的可能是类也可能是接口.
    • [Class文件]并非特指某个存在于具体磁盘中的文件，应当是一串二进制的字节流，无论以何种形式存在都可以。
  • 类加载机制: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。
  • 整体过程:加载、链接(验证、准备、解析)、初始化,如下图


  • 具体如下
    1. 加载
      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---class文件、zip包、网络、运行时计算生成(动态代理)等.《》
      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(格式由虚拟机实现自行定义，规范未规定此区域的具体数据结构)
      3. 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象(并没有明确规定是在Java堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里面)，这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。
    2. 链接
      1. 验证:确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。 包括文件格式、元数据、字节码、符号引用验证.《》
      2. 准备:为静态变量分配内存并初始化为数据类型的零值(引用则为null)(分配在方法区中,不包括实例变量,实例变量会在对象实例化的时候随着对象一起被分配在堆中),但是静态常量将直接初始化为对应的值.
      3. 解析:虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程,包括类或接口的解析、字段解析、类方法解析、接口方法解析.《》
    3. 初始化
      1. 这是类加载过程的最后一步,这时才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码）
      2. 在准备阶段，已经初始化过一次零值，而在初始化阶段，将会初始化成代码设置的值和初始化其他资源(也可以从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程)
      3. <clinit>()方法:
        1. <clinit>()方法是由编译器收集类中的所有静态变量的赋值动作和静态语句块（static{}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它之前的变量，定义在它之后的变量，在它里面可以赋值，但是不能访问(访问会编译不通过),如下:

          public class Test {
static {
    i = 0;                    //给变量赋值,可以正常编译通过
    System.out.println(i);    //这句编译器会提示“非法向前引用”
}
static int i = 1;}

        2. <clinit>()方法与构造函数不同，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. 由于父类的<clinit>()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作.如:

          static class Parent {
    public static int A = 1;
    static {
        A = 2;
    }
}
static class Child extends Parent {
    public static int B = A;
}
public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Child.B);
}

输出的B的值将会是2而不是1。

        4. <clinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对static变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法。
        5. 接口中不能使用静态语句块，但仍然可以有变量初始化的赋值操作,因此接口与类一样都能生成<clinit>()方法。但接口与类不同的是，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使用时，父接口才会初始化。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。
        6. 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、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，就可能造成多个线程阻塞(需要注意的是,虽然其他线程被阻塞,但是当执行<clinit>()方法的线程退出方法后,其他线程唤醒之后不会再次进入<clinit>()方法.同一个类加载器下,一个类只会初始化一次,即<clinit>()方法只会执行一次)，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。如下

          static class DeadLoopClass {
    static {
        if (true){//加上这句话知识为了正常编译通过，领悟精神即可。。。
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "init DeadLoopClass");
            while (true){
            }
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Runnable script=new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "start");
            DeadLoopClass deadLoopClass=new DeadLoopClass();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "run over");

        }
    };
    Thread thread1=new Thread(script);
    Thread thread2=new Thread(script);
    thread1.start();
    thread2.start();
}
查看控制台会发现代码永远阻塞住了..

  • 注意点:
  1. 什么时候开始[加载]阶段并没有进行强制约束，这点可以交给不同虚拟机来自由把握.
  2. [加载]、[验证]、[准备]、[初始化]、[卸载]这五个阶段的开始顺序是一定的,但是结束肯能不是这样的顺序.它们通常都是互相交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段.
  3. [解析]在某些情况下可以在[初始化]之后(通常是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）).
  4. [初始化]阶段,虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”（当然,加载、验证、准备自然需要在此之前开始）
    1. 使用new实例化对象、get/set静态变量(被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)、调用静态方法
    2. 对类进行反射调用
    3. 初始化一个类时,如果父类没有,则先触发父类的初始化
    4. 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类
    5. 当使用JDK 1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
  5. 上述5种[有且只有]的情况,被称为对一个类进行主动引用。除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用.如下三种情况:
    1. 引用了其他类的静态常量---在编译阶段通过常量传播优化，已经将引用的常量值存储到引用类的常量池中，因此对其他静态常量的引用实际都被转化为对自身常量池的引用了。也就是说，实际上引用类中并没有被引用类的符号引用入口，这两个类在编译成Class之后就不存在任何联系了。
    2. 通过子类引用父类的静态变量---对于静态变量，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态变量，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。至于是否要触发子类的加载和验证，在虚拟机规范中并未明确规定，这点取决于虚拟机的具体实现.
    3. 通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化(比如User[] users = new User[10],不会触发User类的初始化)《》
  6. 接口的加载过程与类加载过程稍有一些不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口也有初始化过程，这点与类是一致的，上面的代码都是用静态语句块“static{}”来输出初始化信息的，而接口中不能使用“static{}”语句块，但编译器仍然会为接口生成“<clinit>()”类构造器[插图]，用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类真正有所区别的是前面讲述的5种“有且仅有”需要开始初始化场景中的第3种：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。


类加载器

        上述的[类加载全过程],并非全部都发生在jvm内部,比如[加载]的第一步(即通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流),就被安排发生在jvm外部.虚拟机设计团队这个动作放到jvm外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。类加载器可以说是Java语言的一项创新，也是Java语言流行的重要原因之一.它最初是为了满足Java Applet的需求而开发出来的。虽然目前Java Applet技术基本上已经“死掉”，但类加载器却在类层次划分、OSGi、热部署、代码加密等领域大放异彩，成为了Java技术体系中一块重要的基石，可谓是失之桑榆，收之东隅。

  • 类与类加载器
  1. 类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。
  2. 如何确定类的唯一性
    1. 这里的唯一性指“相等”,即包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。
    2. 对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。换句话说,下述三条件均满足才能说是“相等的”
      1. 同一个类加载器
      2. 来源于同一个class文件
      3. 同一个虚拟机
  3. 如果没有注意到类加载器的影响，在某些情况下可能会产生具有迷惑性的结果，如下代码演示了不同的类加载器对instanceof关键字运算的结果的影响。

    package com.lkl.myapplication;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class ClassLoaderTest2 {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
            @Override
            public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
                try {
                    String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
                    InputStream inputStream = getClass().getResourceAsStream(fileName);
                    if (inputStream == null) {
                        return super.loadClass(name);
                    }
                    byte[] b = new byte[inputStream.available()];
                    inputStream.read(b);
                    return defineClass(name, b, 0, b.length);

                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                return super.loadClass(name);
            }
        };

        Object obj = myLoader.loadClass("com.lkl.myapplication.ClassLoaderTest2").newInstance();
        System.out.println(obj.getClass());
        System.out.println(obj instanceof com.lkl.myapplication.ClassLoaderTest2);

    }

}
输出结果:
class com.lkl.myapplication.ClassLoaderTest2
false

上述例子显示,它可以加载与自己在同一路径下的Class文件。我们使用这个类加载器去加载了
一个名为“com.lkl.myapplication.ClassLoaderTest2”的类，并实例化了这个类的对象。两行输
出结果中，从第一句可以看出，这个对象确实是类com.lkl.myapplication.ClassLoaderTest2实例
化出来的对象，但从第二句可以发现，这个对象与类com.lkl.myapplication.ClassLoaderTest2做
所属类型检查的时候却返回了false，这是因为虚拟机中存在了两个ClassLoaderTest2类，一个是由系
统应用程序类加载器加载的，另外一个是由我们自定义的类加载器加载的，虽然都来自同一个Class文
件，但依然是两个独立的类，做对象所属类型检查时结果自然为false。

tip:
     上述例子重写的是loadClass,破坏了双亲委派模型,不想破坏的化重写findClass即可.但是这个例子
我们要验证的是不同加载器对加载同一个类的影响.如果不破坏的化,默认会系统加载的类,结果必定为true,因此需要
用这种写法.

  • 双亲委派模型

         重点就在源码java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中之中,先判断是否已经加载,没有的化则调用父类的loadClass方法去加载,父类没找到返回空,则会调用重写的findClass方法.当然你如果重写的是loadClass方法,则就破坏了....《》


参考链接:

《深入理解jvm虚拟机》


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