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你知道Java的类加载机制吗？字节码文件时如何被加载使用的？今天我们从以下几个方面，一起聊聊类加载。

  • 类加载过程以及介绍
  • 类加载器介绍

类加载过程

我们用一张图来梳理类的生命周期，如下所示：

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类加载的过程主要有三部分组成：加载、连接、初始化；其中连接可以细分为验证、准备、解析三个过程；那么此过程中各个阶段都分别做了什么工作呢？

加载

对于何时开展类加载，虚拟机规范并没有强制规定，其实现交给了虚拟机自由把握，但是虚拟机规范强制规定了有且仅有以下5种场景，会立马触发类的初始化，而加载，验证，准备阶段自然而然要在其之前。注意：某些特殊情况类的解析会在初始化之后再执行：

  • 遇到new,putstatic,getstatic,invokestatic 4种字节码指令时
  • 使用java.lang.reflect包下的方法对类进行反射调用时，类还未初始化
  • 初始化某个类时，发现其父类还未初始化，则先出法其父类的初始化
  • 当虚拟机启动时，执行主类(包含main方法)的类本身，虚拟机会先初始化此类
  • 当使用JDK1.7动态语言支持时，使用java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后解析结果是REF_getStatic，REF_putStatic，REF_invokeStatic方法句柄，并且这个方法句柄对应的类还没有初始化，则优先触发初始化
  • jdk8 接口新增了默认方法，如何接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前做初始化

“加载”是“类加载”的一个阶段，在这个阶段，虚拟机主要做了以下事情：

  • 通过类的全限定名过去二进制字节流
  • 将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
  • 在内存中创建一个代表该类的java.lang.Class对象，用于方法区这个类的各数据的访问入口

验证

验证阶段，主要包含四个验证过程

  • 文件格式验证：验证是否符合Class文件格式
  • 元数据验证：对类的元数据信息进行语义验证；验证类是否有父类，验证类是否继承了final类，如果类不是抽象类是否实现类接口或父类方法等
  • 字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的，符合逻辑的（最复杂的验证过程）
  • 符号引用验证：验证发生在符号引用转换为直接引用的时候，验证是否可以根据全限定名找到指定的类，指定的类是否有指定的方法和字段，验证字段和方法的访问控制(private,protected,default,public) 等；其目的是为了保证解析阶段能够正常的执行

准备

准备阶段完成的工作是给类变量(static修饰)完成内存的分配以及给类变量赋初始值；

private static int a=100;

经过准备阶段的a的初始值是0，而不是100；因为将a值赋值为100的putstatic 指令是在被编译后，存放于构造方法之中。
基本类型的初始值如下：

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但是也存在特殊情况，比如被final修饰的类变量将直接被赋值为指定的值；如下的在准备阶段将被赋值为100

private static final int a=100;

解析

解析阶段完成的工作是将符号引用转化为直接引用。

符号引用：以一组符号来描述引用的目标，符号可以是任何字面量，只要在使用时能无歧义的定位到目标即可。

直接引用：直接引用可以是一个直接执行目标的指针，偏移量；或者是一个能间接定位到目标对象的句柄。

初始化

初始化时类加载过程的最后一步，前面的加载过程，除了加载阶段有类加载器参与，其余阶段都有虚拟机主导和控制；到了初始化阶段才开始真正执行Java程序(字节码)。

在准备阶段已经完成过一次系统要求的赋值，而在初始化阶段，根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。或者从另一个角度说，初始化是执行 构造方法的过程。注意:同一个类加载器，同一个类型只会加载一次。

与的不同

  • init是对象构造器方法，也就是说在程序执行 new 一个对象调用该对象类的 constructor 方法时才会执行init方法，而clinit是类构造器方法，也就是在jvm进行类加载—–验证—-解析—–初始化，中的初始化阶段jvm会调用clinit方法。

  • init和clinit方法执行目的不同
    init is the (or one of the) constructor(s) for the instance, and non-static field initialization.
    init 是执行其中一个构造器，并且完成非静态变量以及代码块的初始化
    clinit are the static initialization blocks for the class, and static field initialization.
    clinit是初始化静态变量(类变量)，以及静态代码块

    注意以下几种情况不会执行类初始化：

  1. 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。

  2. 定义对象数组，不会触发该类的初始化。

  3. 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。

  4. 通过类名获取 Class 对象，不会触发类的初始化。

  5. 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。

  6. 通过 ClassLoader 默认的 loadClass 方法，也不会触发初始化动作。

类加载器

类和类加载器

类加载器虽然只用于实现“类加载”的动作，但其在Java程序中的作用却远远不限于类加载阶段。对于任意一个类，都需要有该类的类加载器和类本身来确定在虚拟机中的唯一性；也可以这样理解，判断两个类是否“相等”，必须建立在同一个类加载器的前提下，否则是无意义的。这里的“相等”包括，equals()，isInstance()，isAssignableFrom()方法返回的结果以及instanceof关键字。

双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来看只存在两种类加载器，一种是Bootstrap ClassLoader（HotSpot由C++实现），是虚拟机的一部分；另一种是其他加载器，这些加载器由Java实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自抽象类ClassLoader。

从Java程序员的角度来看，类加载器划分的更加细致一些；分为Bootstrap ClassLoader (启动类加载器)，Extension ClassLoader (扩展类加载器)，Application ClassLoader(应用类加载器)，以及User ClassLoader (用户自定义加载器)。

Bootstrap ClassLoader：虚拟机的一部分，Java程序无法直接引用；负责加载<JAVA_HOME>/lib 路径下的类库加载到虚拟机内存中。

Extension ClassLoader：由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext 路径下的类库加载到虚拟机内存中。

Application ClassLoader：由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现，负责加载。这个类加载器是CLassLoader中getSystemClassLoader()的返回值，所以也称为系统类加载器，负责加载Classpath上指定的类库，开发者也可以直接使用该加载器。

当然我们也可以根据需要自定义类加载器，各类加载器的继承层次结构如下：

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双亲委派的工作过程：当一个加载器收到类加载请求时，首先它不会自行加载该类，而是交由自己的父类加载器去完成，最终将类加载请求传递至Bootstrap CLassLoader；只有父类加载器反馈自己无法加载时，子类加载器才会自己尝试加载。

双亲委派模型实现

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先通过findLoadedClass判断是否已加载
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    //父加载器不为空则由父加载器加载，否则有启动类加载器加载
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // 父加载器加载失败
                }

                if (c == null) {
                    // 如果仍未成功加载，则调用findClass去找到该类
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }