1. Classloader的作用,概括来说就是将编译后的class装载、加载到机器内存中,为了以后的程序的执行提供前提条件。
2. 一段程序引发的思考:
风中叶老师在他的视频中给了我们一段程序,号称是世界上所有的Java程序员都会犯的错误。
诡异代码如下:
package test01;
class Singleton {
public static Singleton singleton = new Singleton(); public static int a; public static int b = 0;
private Singleton() { super(); a++; b++; }
public static Singleton GetInstence() { return singleton; }
}
public class MyTest {
/** * @param args */ public static void main(String[] args) { Singleton mysingleton = Singleton.GetInstence(); System.out.println(mysingleton.a); System.out.println(mysingleton.b); }
} |
一般不假思索的结论就是,a=1,b=1。给出的原因是:a、b都是静态变量,在构造函数调用的时候已经对a和b都加1了。答案就都是1。但是运行完后答案却是a=1,b=0。
下面我们将代码稍微变一下
public static Singleton singleton = new Singleton(); public static int a; public static int b = 0; |
的代码部分替换成
public static int a; public static int b = 0; public static Singleton singleton = new Singleton(); |
效果就是刚才预期的a=1,b=1。
为什么呢,这3句无非就是静态变量的声明、初始化,值的变化和声明的顺序还有关系吗?Java不是面向对象的吗?怎么和结构化的语言似地,顺序还有关系。这个就是和Java虚拟机JVM加载类的原理有着直接的关系。
3. 类在JVM中的工作原理
要想使用一个Java类为自己工作,必须经过以下几个过程
1):类加载load:从字节码二进制文件——.class文件将类加载到内存,从而达到类的从硬盘上到内存上的一个迁移,所有的程序必须加载到内存才能工作。将内存中的class放到运行时数据区的方法区内,之后在堆区建立一个java.lang.Class对象,用来封装方法区的数据结构。这个时候就体现出了万事万物皆对象了,干什么事情都得有个对象。就是到了最底层究竟是鸡生蛋,还是蛋生鸡呢?类加载的最终产物就是堆中的一个java.lang.Class对象。
2):连接:连接又分为以下小步骤
验证:出于安全性的考虑,验证内存中的字节码是否符合JVM的规范,类的结构规范、语义检查、字节码操作是否合法、这个是为了防止用户自己建立一个非法的XX.class文件就进行工作了,或者是JVM版本冲突的问题,比如在JDK6下面编译通过的class(其中包含注解特性的类),是不能在JDK1.4的JVM下运行的。
准备:将类的静态变量进行分配内存空间、初始化默认值。(对象还没生成呢,所以这个时候没有实例变量什么事情)
解析:把类的符号引用转为直接引用(保留)
3):类的初始化: 将类的静态变量赋予正确的初始值,这个初始值是开发者自己定义时赋予的初始值,而不是默认值。
4. 类的主动使用与被动使用
以下是视为主动使用一个类,其他情况均视为被动使用!
1):初学者最为常用的new一个类的实例对象(声明不叫主动使用)
2):对类的静态变量进行读取、赋值操作的。
3):直接调用类的静态方法。
4):反射调用一个类的方法。
5):初始化一个类的子类的时候,父类也相当于被程序主动调用了(如果调用子类的静态变量是从父类继承过来并没有复写的,那么也就相当于只用到了父类的东东,和子类无关,所以这个时候子类不需要进行类初始化)。
6):直接运行一个main函数入口的类。
所有的JVM实现(不同的厂商有不同的实现,有人就说IBM的实现比Sun的要好……)在首次主动调用类和接口的时候才会初始化他们。
|
5. 类的加载方式
1):本地编译好的class中直接加载
2):网络加载:java.net.URLClassLoader可以加载url指定的类
3):从jar、zip等等压缩文件加载类,自动解析jar文件找到class文件去加载util类
4):从java源代码文件动态编译成为class文件
6. 类加载器
JVM自带的默认加载器
1):根类加载器:bootstrap,由C++编写,所有Java程序无法获得。
2):扩展类加载器:由Java编写。
3):系统类、应用类加载器:由Java编写。
用户自定义的类加载器:java.lang.ClassLoader的子类,用户可以定制类的加载方式。每一个类都包含了加载他的ClassLoader的一个引用——getClass().getClassLoader()。如果返回的是null,证明加载他的ClassLoader是根加载器bootstrap。
如下代码
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException { Class clazz = Class.forName("java.lang.String"); System.out.println(clazz.getClassLoader()); } |
结果是null,证明java.lang.String是根类加载器去加载的。
public static void main(String[] args) { Singleton mysingleton = Singleton.GetInstence(); System.out.println(mysingleton.getClass().getClassLoader()); } |
结果是sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f,证明是AppClassLoader(系统类、应用类加载器)去加载的。像jre的rt.jar下面的java.lang.*都是默认的根类加载器去加载这些运行时的类。
7. 解释类连接阶段的准备
类的如下代码片段
public static int a; public static int b = 10; |
在这个阶段,加载器会按照结构化似的,从上到下流程将静态变量int类型分配4个字节的空间,并且为其赋予默认值0,而像b = 10这段代码在此阶段是不起作用的,b仍然是默认值0。
8. 解释类连接阶段的解析
|
这里面的指针就是C++的指针
9. 回顾那个诡异的代码
从入口开始看
Singleton mysingleton = Singleton.GetInstence(); |
是根据内部类的静态方法要一个Singleton实例。
这个时候就属于主动调用Singleton类了。
之后内存开始加载Singleton类
1):对Singleton的所有的静态变量分配空间,赋默认的值,所以在这个时候,singleton=null、a=0、b=0。注意b的0是默认值,并不是咱们手工为其赋予的的那个0值。
2):之后对静态变量赋值,这个时候的赋值就是我们在程序里手工初始化的那个值了。此时singleton = new Singleton();调用了构造方法。构造方法里面a=1、b=1。之后接着顺序往下执行。
3):
public static int a; public static int b = 0; |
a没有赋值,保持原状a=1。b被赋值了,b原先的1值被覆盖了,b=0。所以结果就是这么来的。类中的静态块static块也是顺序地从上到下执行的。
10. 编译时常量、非编译时常量的静态变量
如下代码
package test01;
class FinalStatic {
public static final int A = 4 + 4;
static { System.out.println("如果执行了,证明类初始化了……"); }
}
public class MyTest03 {
/** * @param args */ public static void main(String[] args) { System.out.println(FinalStatic.A); }
} |
结果是只打印出了8,证明类并没有初始化。反编译源码发现class里面的内容是
public static final int A = 8; |
也就是说编译器很智能的、在编译的时候自己就能算出4+4是8,是一个固定的数字。没有什么未知的因素在里面。
将代码稍微改一下
public static final int A = 4 + new Random().nextInt(10); |
这个时候静态块就执行了,证明类初始化了。在静态final变量在编译时不定的情况下。如果客户程序这个时候访问了该类的静态变量,那就会对类进行初始化,所以尽量静态final变量尽量没什么可变因素在里面1,否则性能会有所下降。
11. ClassLoader的剖析
ClassLoader的loadClass方法加载一个类不属于主动调用,不会导致类的初始化。如下代码块
ClassLoader classLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader(); Class<?> clazz = classLoader.loadClass("test01.ClassDemo"); |
并不会让类加载器初始化test01.ClassDemo,因为这不属于主动调用此类。
ClassLoader的关系:
根加载器——》扩展类加载器——》应用类加载器——》用户自定义类加载器
加载类的过程是首先从根加载器开始加载、根加载器加载不了的,由扩展类加载器加载,再加载不了的有应用加载器加载,应用加载器如果还加载不了就由自定义的加载器(一定继承自java.lang. ClassLoader)加载、如果自定义的加载器还加载不了。而且下面已经没有再特殊的类加载器了,就会抛出ClassNotFoundException,表面上异常是类找不到,实际上是class加载失败,更不能创建该类的Class对象。
若一个类能在某一层类加载器成功加载,那么这一层的加载器称为定义类加载器。那么在这层类生成的Class引用返回下一层加载器叫做初始类加载器。因为加载成功后返回一个Class引用给它的服务对象——也就是调用它的类加载器。考虑到安全,父委托加载机制。
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ClassLoader加载类的原代码如下
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 = 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; } |
初始化系统ClassLoader代码如下
private static synchronized void initSystemClassLoader() { if (!sclSet) { if (scl != null) throw new IllegalStateException("recursive invocation"); sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher(); if (l != null) { Throwable oops = null; scl = l.getClassLoader(); try { PrivilegedExceptionAction a; a = new SystemClassLoaderAction(scl); scl = (ClassLoader) AccessController.doPrivileged(a); } catch (PrivilegedActionException pae) { oops = pae.getCause(); if (oops instanceof InvocationTargetException) { oops = oops.getCause(); } } if (oops != null) { if (oops instanceof Error) { throw (Error) oops; } else { // wrap the exception throw new Error(oops); } } } sclSet = true; } } |
它里面调用了很多native的方法,也就是通过JNI调用底层C++的代码。
当一个类被加载、连接、初始化后,它的生命周期就开始了,当代表该类的Class对象不再被引用、即已经不可触及的时候,Class对象的生命周期结束。那么该类的方法区内的数据也会被卸载,从而结束该类的生命周期。一个类的生命周期取决于它Class对象的生命周期。由Java虚拟机自带的默认加载器(根加载器、扩展加载器、系统加载器)所加载的类在JVM生命周期中始终不被卸载。所以这些类的Class对象(我称其为实例的模板对象)始终能被触及!而由用户自定义的类加载器所加载的类会被卸载掉!
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