五、类加载机制

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。它们开始的顺序如下图所示：

 

其中类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段，加载、验证、准备、初始化这四个阶段的发生顺序是确定的。而解析阶段不一定，它的某些情况下可以再初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（动态绑定）。另外注意这里的几个阶段是顺序开始,而不是顺序进行或完成,因为这些阶段通常都是互相交叉混合进行的,通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

 

Java中的绑定：绑定指的是把一个方法的调用方法所在的类（方法主体）关联起来，对于Java来说，绑定分为静态绑定和动态绑定：

静态绑定：在程序执行前已经被绑定，Java中的方法只有final,static,private和构造方法是前期绑定。

动态绑定：运行时根据具体对象的类型进行绑定。

 

1.   加载

加载是类加载的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机完成以下三件事情：

• 通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流
• 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区内的运行时数据结构
• 在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用远远不限于类的加载阶段。对于任意一个类，都需要由它的类加载器和这个类本身一同确定其在java虚拟机中的唯一性,也就是说，即使两个类来源同一个Class文件，只要加载他们的类加载器不同，那么这两个类就必定不相等。这里的“相等”包括了代表类的 Class 对象的 equals()、isAssignableFrom()、isInstance()等方法的返回结果，也包括了使用 instanceof 关键字对对象所属关系的判定结果。

站在虚拟机的角度讲，只存在两种不同的类加载器：

• 启动类加载器：它是虚拟机自身的一部分
• 所有其他类加载器：有Java语言实现，独立于虚拟机之外，并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader,这些类加载器需要由启动类加载器加载到内存中之后才能去加载其他的类。

站在Java开发人员角度分为：

• 启动类加载器：Bootstrap ClassLoader，如 rt.jar，所有的java.*开头的类均被 Bootstrap ClassLoader 加载，启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。
• 扩展类加载器：Extension ClassLoader，该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载JDK\jre\lib\ext目录中，或者由 java.ext.dirs 系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.*开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
• 应用程序类加载器：Application ClassLoader，该类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

这几类加载器的层次关系如下图：

 
 双亲委派模型的工作流程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上，因此，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时，即无法完成该加载，子加载器才会尝试自己去加载该类。

 

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个很明显的好处，就是 Java 类随着它的类加载器（说白了，就是它所在的目录）一起具备了一种带有优先级的层次关系，这对于保证 Java 程序的稳定运作很重要。例如，类java.lang.Object 类存放在JDK\jre\lib下的 rt.jar 之中，因此无论是哪个类加载器要加载此类，最终都会委派给启动类加载器进行加载，这边保证了 Object 类在程序中的各种类加载器中都是同一个类。

 

2.     验证

验证的目的是为了保证Class文件中的字节流包含的信息符合当前虚拟机的要求，而且不会危害虚拟机自身的安全。大致完成以下四个阶段的验证：文件格式的验证、元数据的验证、字节码的验证和符号引用的验证。

• 文件格式的验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理，验证的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区内，经过该阶段的验证之后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，后边的三个验证都是基于方法区的存储结构进行的。
• 元数据验证：对类的元数据信息进行语义校验（其实就是对类中的各数据类型进行语法校验），保证不存在不符合 Java 语法规范的元数据信息。
• 字节码验证：该阶段验证的主要工作是进行数据流和控制流分析，对类的方法体进行校验分析，以保证被校验的类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。
• 符号引用验证：这是最后一个阶段的验证，它发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候（解析阶段中发生该转化，后面会有讲解），主要是对类自身以外的信息（常量池中的各种符号引用）进行匹配性的校验。

3.   准备

准备阶段是正式为类变量分配内并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配，对于该阶段有以下几点需要注意：

• 这时候进行的内存分配仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。
• 这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值，而不是被在Java代码中被显式赋予的值。

 

这里还需要注意如下几点：

• 对于基本数据类型来说，对于类变量（static）和类属性，如果不显示地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，对于局部变量来说，在使用前必须显示为其赋值，否则编译不通过。
• 对于同时被static和final修饰的常量，必须在声明中显示赋值，否则编译不通过；而只被final修饰的常量则既可以声明时显示赋值，也可以类初始化时显示赋值，总之，在使用之前必须为其显示赋值，系统不会为其赋予零值。
• 对于引用数据类型来说，如数组引用，对象引用，如果没有对其进行显示赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认零值。
• 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。

 

如果类字段的字段属性表中存在 ConstantValue 属性，即同时被 final 和 static 修饰，那么在准备阶段变量 value 就会被初始化为 ConstValue 属性所指定的值。

 

假设上面的类变量 value 被定义为：

public static final int value = 3；

 

编译时 Javac 将会为 value 生成 ConstantValue 属性，在准备阶段虚拟机就会根据 ConstantValue 的设置将 value 赋值为 3。我们可以理解为 static  final 常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中。

 

4.   解析

解析阶段就是虚拟机将常量池中的符号引用转化为直接引用的过程。

对同一个符号引用进行多次解析请求时很常见的事情，虚拟机实现可能会对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标示为已解析状态），从而避免解析动作重复进行。

解析的动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类的符号引用进行。

• 类或接口的解析：判断所要转化成的直接引用是对数组类型，还是普通的对象类型的引用，从而进行不同的解析。
• 字段解析：对字段进行解析时，会先在本类中查找是否包含简单名称和字段描述符都与目标匹配的字段，如果有，则查找结束；如果没有，则会按照继承关系依次递归搜索该类实现的各个接口和他们的父接口，还没有，则按照继承关系依次递归搜索其父类，直接查找结束。

理论上是按照上述顺序进行搜索解析，但在实际应用中，虚拟机的编译器实现可能要比上述规范要求的更严格一些。如果有一个同名字段同时出现在该类的接口和父类中，或同时在自己或父类的接口中出现，编译器可能会拒绝编译

• 类方法解析：对类方法的解析与对字段解析的搜索步骤差不多，只是多了判断该方法所处的是类还是接口的步骤，而且对类方法的匹配搜索，是先搜索父类，再搜索接口。
• 接口方法解析：与类方法解析步骤类似，知道接口不会有父类，因此，只递归向上搜索父接口就行了。

5.  初始化

初始化是类加载过程的最后一步，到了此阶段，才真正开始执行类定义的Java程序代码。在准备阶段，类变量（static）已经被赋予过一次系统要求的零值了，而在初始化阶段，则是根据程序员指定的值去初始化变量和其他资源，或从另一个角度表达：初始话阶段是执行类构造器()方法的过程。

类构造器()方法执行规则：

• ()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句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定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问。
• 类构造器()方法与实例构造器()方法（类的构造函数）不同，它不需要显式的调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕。因此，在虚拟机中第一个被执行的()方法的类肯定是java.lang.Object。
• ()方法对于类或接口来说并不是必须的，如果一个类没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成()方法。
• 接口中不能使用静态语句块，但仍有类变量（final static）初始化赋值操作，因此接口与类一样同样会生成()方法。
• 但接口与类不同的是：执行接口的()方法不需要执行父接口的()方法，只有父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。
• 虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁和同步，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()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行()方法完毕。如果在一个类的()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

总结

整个类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以自定义类加载器参与之外，其余所有的动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化才开始执行类中定义的 Java 程序代码（亦及字节码），但这里的执行代码只是个开端，它仅限于()方法。类加载过程中主要是将 Class 文件（准确地讲，应该是类的二进制字节流）加载到虚拟机内存中，真正执行字节码的操作，在加载完成后才真正开始。