詳解Java 類的加載機制

一、類的加載機制

虛擬機把描述類的數據從Class文件加載到內存，并對數據進行校驗、轉換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機直接使用的Java類型，這就是虛擬機的類加載機制。

類的加載指的是將類的.class文件中的二進制數據讀入到內存中，將其放在運行時數據區的方法區內，然后在堆區創建一個java.lang.Class對象，用來封裝類在方法區內的數據結構。類的加載的最終產品是位于堆區中的Class對象，Class對象封裝了類在方法區內的數據結構，并且向Java程序員提供了訪問方法區內的數據結構的接口。

類加載器并不需要等到某個類被“首次主動使用”時再加載它，JVM規范允許類加載器在預料某個類將要被使用時就預先加載它，如果在預先加載的過程中遇到了.class文件缺失或存在錯誤，類加載器必須在程序首次主動使用該類時才報告錯誤（LinkageError錯誤）如果這個類一直沒有被程序主動使用，那么類加載器就不會報告錯誤

加載.class文件的方式

? 從本地系統中直接加載? 通過網絡下載.class文件，這種場景最典型的應用就是Applet? 從zip，jar等歸檔文件中加載.class文件? 從專有數據庫中提取.class文件? 將Java源文件動態編譯為.class文件

二、類的加載時機

類從被加載到虛擬機內存中開始，直到卸載出內存為止，它的整個生命周期包括了：加載、驗證、準備、解析、初始化、使用和卸載這7個階段。其中，驗證、準備和解析這三個部分統稱為連接（linking）。

其中，加載、驗證、準備、初始化和卸載這五個階段的順序是確定的，類的加載過程必須按照這種順序按部就班的“開始”（僅僅指的是開始，而非執行或者結束，因為這些階段通常都是互相交叉的混合進行，通常會在一個階段執行的過程中調用或者激活另一個階段），而解析階段則不一定（它在某些情況下可以在初始化階段之后再開始，這是為了支持Java語言的運行時綁定（也稱為動態綁定或晚期綁定）。

三、類的加載過程

接下來詳細講解一下Java虛擬機中類加載的全過程，也就是加載、驗證、準備、解析和初始化這五個階段所執行的具體動作。

3.1 加載

“加載”(Loading)階段是“類加載”(Class Loading)過程的第一個階段，在此階段，虛擬機需要完成以下三件事情：

1、 通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進制字節流。

2、 將這個字節流所代表的靜態存儲結構轉化為方法區的運行時數據結構。

3、 在Java堆中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象，作為方法區這些數據的訪問入口。

上面的第一步獲取二進制字節流，并沒有限定只能從編譯好的.class文件中獲取，也可以是zip包，jar，war，網絡流（Applet），運行時計算生成（如動態代理，通過反射在運行時動態生成代理類），其他文件（如jsp，因jsp最終會編譯成class），數據庫（用的場景較少）。

對于數組類的加載，和普通類的加載有所不同。數組類本身不通過類加載器加載，而是由虛擬機直接完成。但是數組類的元素類型（指數組類去除維度之后的類型，如String[] 數組的元素類型就是 String）是靠類加載器加載的。

加載階段完成之后，虛擬機就會把外部的二進制字節流（不論從何處獲取的）按照一定的數據格式存儲在運行時數據區中的方法區。然后在內存中實例化一個java.lang.Class對象（Class這個對象比較特殊，它存放在方法區中而不是堆中），這個對象將作為程序訪問方法區中的這些數據的外部接口。

加載階段即可以使用系統提供的類加載器在完成，也可以由用戶自定義的類加載器來完成。加載階段與連接階段的部分內容(如一部分字節碼文件格式驗證動作)是交叉進行的，加載階段尚未完成，連接階段可能已經開始，但這些夾在加載階段之中進行的動作，仍然屬于連接階段的內容，這兩個階段的開始時間仍然保持著固定的先后順序。

3.2 驗證

驗證是連接階段的第一步，這一階段的目的是為了確保Class文件的字節流中包含的信息符合當前虛擬機的要求，并且不會危害虛擬機自身的安全。

Java語言本身是相對安全的語言，使用Java編碼是無法做到如訪問數組邊界以外的數據、將一個對象轉型為它并未實現的類型等，如果這樣做了，編譯器將拒絕編譯。但是，Class文件并不一定是由Java源碼編譯而來，可以使用任何途徑，包括用十六進制編輯器(如UltraEdit)直接編寫。如果直接編寫了有害的“代碼”(字節流)，而虛擬機在加載該Class時不進行檢查的話，就有可能危害到虛擬機或程序的安全。

不同的虛擬機，對類驗證的實現可能有所不同，但大致都會完成下面四個階段的驗證：文件格式驗證、元數據驗證、字節碼驗證和符號引用驗證。

1、文件格式驗證，是要驗證字節流是否符合Class文件格式的規范，并且能被當前版本的虛擬機處理。如驗證魔數是否0xCAFEBABE；主、次版本號是否正在當前虛擬機處理范圍之內；常量池的常量中是否有不被支持的常量類型……該驗證階段的主要目的是保證輸入的字節流能正確地解析并存儲于方法區中，經過這個階段的驗證后，字節流才會進入內存的方法區中存儲，所以后面的三個驗證階段都是基于方法區的存儲結構進行的。

2、元數據驗證，是對字節碼描述的信息進行語義分析，以保證其描述的信息符合Java語言規范的要求?？赡馨ǖ尿炞C如：這個類是否有父類；這個類的父類是否繼承了不允許被繼承的類；如果這個類不是抽象類，是否實現了其父類或接口中要求實現的所有方法……

3、字節碼驗證，主要工作是進行數據流和控制流分析，保證被校驗類的方法在運行時不會做出危害虛擬機安全的行為。如果一個類方法體的字節碼沒有通過字節碼驗證，那肯定是有問題的；但如果一個方法體通過了字節碼驗證，也不能說明其一定就是安全的。

4、符號引用驗證，發生在虛擬機將符號引用轉化為直接引用的時候，這個轉化動作將在“解析階段”中發生。驗證符號引用中通過字符串描述的權限定名是否能找到對應的類；在指定類中是否存在符合方法字段的描述符及簡單名稱所描述的方法和字段；符號引用中的類、字段和方法的訪問性(private、protected、public、default)是否可被當前類訪問

驗證階段對于虛擬機的類加載機制來說，不一定是必要的階段。如果所運行的全部代碼確認是安全的，可以使用-Xverify：none參數來關閉大部分的類驗證措施，以縮短虛擬機類加載時間。

3.3 準備

準備階段是類變量分配內存并設置初始值的階段。這里的類變量指的是被static修飾的變量，而不包括實例變量。類變量被分配到方法區中，而實例變量存放在堆中。

這里的初始值指的是數據類型的默認值，而不是代碼中所賦的值。例如

publicstaticintvalue = 1 ；

在準備階段之后，value值為0，而不是1。賦值為1的動作發生在初始化階段。

但是，也要特殊情況，如果變量被static 和 final同時修飾，則準備階段直接賦值為指定值。如

public finallystaticintvalue = 1 ；

在準備階段之后，value的值即為1.

各數據類型的初始默認值如下：

3.4 解析

解析階段是將常量池中的符號引用轉換為直接引用的過程。那什么是符號引用和直接引用呢？

符號引用是用一組符號來描述所引用的目標，符號可以是任何形式的字面量，只要使用時能無歧義的定位到目標即可（前面JVM的模型中，也提到了符號引用，它存在于常量池中，包括類和接口的全限定名、字段的名稱和描述符、方法的名稱和描述符）?？锤拍羁赡鼙容^抽象，可以理解為它就是一個代號，就像你有一個大名，同時也有一個小名，但是不管怎么叫指代的都是你本人。

直接引用可以是直接指向目標的指針、相對偏移量或是一個能間接定位到目標的句柄。

解析動作主要針對類或接口、字段、類方法、接口方法、方法屬性、方法句柄、調用點限定符7類符號引用。此處分別介紹一下前四種的解析過程。

1、類或接口的解析

如果類C不是數組類型，那么虛擬機會把類C直接傳給類加載器。如果類C是數組類型并且元素類型是對象（如String[]），那么先用類加載器加載元素類型（String類型），再由虛擬機創建代表此數組維度和元素的數組對象。判斷調用類是否有權限訪問被加載類，如果不允許的話，就拋出IllegalAccessError異常。

2、字段的解析

首先解析字段所屬的類或接口的符號引用。如果類中有字段的符號引用（字段的名稱和描述符）和目標字段相匹配，則返回這個字段的直接引用。如果沒有，則自下而上查找其實現的接口和父接口，若匹配到，則返回這個字段的直接引用。如果還沒有，就自下而上查找其繼承的父類，若匹配到，則返回這個字段的直接引用。否則，查找失敗，拋出NoSuchFieldError異常。最后如果查找成功的話，會判斷字段訪問權限，如果該字段不允許訪問，則拋出 IllegalAccessError異常。

3、類方法解析

類方法解析第一步同字段解析一樣，也需要先解析方法所屬的類或接口的符號引用。類方法和接口方法符號引用的常量類型是分開的。如果，在類方法中解析出來的是一個接口，則會拋出 IncompatibleClassChangeError 異常。如果在類中有方法的符號引用（方法的名稱和描述符）和目標方法相匹配，則返回這個方法的直接引用，查找結束。否則，在類的父類中遞歸查找，若找到則返回，查找結束。否則，查找它實現的接口和父接口，如果找到，說明此類是一個抽象類，拋出 AbstractMethodError異常。若都找不到，就拋出NoSuchMethodError 異常。最后，如果查找成功，會判斷此方法是否有訪問權限，若沒有，則拋出 IllegalAccessError異常。

4、接口方法的解析

首先解析方法所屬的類或接口的符號引用，和類方法解析同理，如果發現解析出來是一個類方法，則會拋出 IncompatibleClassChangeError 異常。如果所屬接口中匹配到目標方法，則返回此方法的直接引用。否則，在父接口中查找，若找到，則返回。否則，查找失敗，拋出 NoSuchMethodError 異常。由于接口的方法都是public的，所以不存在訪問權限的問題。

3.5 初始化

這是類加載的最后一步，到這才真正開始執行Java代碼。在準備階段，已經為類變量分配內存，并賦值了默認值。在初始階段，則可以根據需要來賦值了?？梢哉f，初始化階段是執行類構造器 < clinit > 方法的過程。

首先說下類構造器 < clinit > 方法和實例構造器 < init > 方法有什么區別。< clinit > 方法是在類加載的初始化階段執行，是對靜態變量、靜態代碼塊進行的初始化。而< init > 方法是new一個對象，即調用類的 constructor方法時才會執行，是對非靜態變量進行的初始化。

類構造器方法有如下特點：

保證父類的 < clinit > 方法執行完畢，再執行子類的 < clinit > 方法。由于父類的 < clinit > 方法先執行，所以父類的靜態代碼塊也優于子類執行。如果類中沒有靜態代碼塊，也沒有為變量賦值，則可以不生成 < clinit > 方法。執行接口的 < clinit > 方法時，不需要先執行父接口的 < clinit > 方法。只有父接口中定義的變量使用時，父接口才會初始化。另外，接口的實現類在初始化時也不執行接口的 < clinit > 方法。虛擬機會保證在多線程環境下 < clinit > 方法能被正確的加鎖、同步。如果有多個線程同時請求加載一個類，那么只會有一個線程去執行這個類的 < clinit > 方法，其他線程都會阻塞，直到方法執行完畢。同時，其他線程也不會再去執行 < clinit > 方法了。這就保證了同一個類加載器下，一個類只會初始化一次。（這也是為什么說餓漢式單例模式是線程安全的，因為類只會加載一次。）類的初始化時機：只有對類主動使用的時候才會觸發初始化，主動使用的場景如下：

使用new關鍵詞創建對象時，訪問某個類的靜態變量或給靜態變量賦值時，調用類的靜態方法時。反射調用時，會觸發類的初始化（如Class.forName()）初始化一個類的時候，如其父類未初始化，則會先觸發父類的初始化。虛擬機啟動時，會先初始化主類（即包含main方法的類）。另外，也有些場景并不會觸發類的初始化：

通過子類調用父類的靜態變量，只會觸發父類的初始化，而不會觸發子類的初始化（因為，對于靜態變量，只有直接定義這個變量的類才會初始化）。通過數組來創建對象不會觸發此類的初始化。（如定義一個自定義的Person[] 數組，不會觸發Person類的初始化）通過調用靜態常量（即static final修飾的變量），并不會觸發此類的初始化。因為，在編譯階段，就已經把final修飾的變量放到常量池中了，本質上并沒有直接引用到定義常量的類，因此不會觸發類的初始化。

四、題目分析

上面很詳細的介紹了類的加載時機和類的加載過程，通過上面的理論來分析本文開門見上的題目

class SingleTon { private static SingleTon singleTon = new SingleTon(); public static int count1; public static int count2 = 0; private SingleTon() { count1++; count2++; } public static SingleTon getInstance() { return singleTon; }} public class Test { public static void main(String[] args) { SingleTon singleTon = SingleTon.getInstance(); System.out.println('count1=' + singleTon.count1); System.out.println('count2=' + singleTon.count2); }}

分析：

1、SingleTon singleTon = SingleTon.getInstance();調用了類的SingleTon調用了類的靜態方法，觸發類的初始化2、類加載的時候在準備過程中為類的靜態變量分配內存并初始化默認值 singleton=null count1=0,count2=03、類初始化化，為類的靜態變量賦值和執行靜態代碼快。singleton賦值為new SingleTon()調用類的構造方法4、調用類的構造方法后count=1;count2=15、繼續為count1與count2賦值,此時count1沒有賦值操作,所有count1為1,但是count2執行賦值操作就變為0

參考：

《深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐》

以上就是詳解Java 類的加載機制的詳細內容，更多關于Java 類的加載的資料請關注好吧啦網其它相關文章！