Java的類載入機制

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本文主要講述Java類的載入機制，主要包括類載入器、載入過程、初始化時機。一、類載入器1、ClassLoader抽象類別

類載入器的任務就是根據一個類的全限定名來讀取此類的二進位位元組流到JVM內部，然後轉換為一個與目標類對應的java.lang.Class對象執行個體。

如果需要支援類的動態載入或需要對編譯後的位元組碼檔案進行解密操作等，就需要與類載入器打交道了。

• BootstrapClassLoader，由C++編寫嵌套在JVM內部，負責載入“JAVA_HOME/lib”目錄中的所有類型，或者由“-Xbootclasspath”指定路徑中的所有類型。

• ExtClassLoader和AppClassLoader都繼承至ClassLoader抽象類別，由Java編寫。

• ExtClassLoader負責載入“JAVA_HOME/lib/ext”目錄下的所有類型。

• AppClassLoader負責載入ClassPath目錄中的所有類型。

defineClass方法將位元組碼的byte數群組轉換為一個類的Class對象執行個體，如果希望在類被載入到JVM內部時就被連結，那麼可以調用resolveClass方法。

2、雙親委派模型

Parents Delegation Model，雙親委派模型，約定類載入器的載入機制。

 

當一個類載入器接收到一個類載入的任務時，不會立即展開載入，而是將載入任務委派給它的超類載入器去執行，每一層的類都採用相同的方式，直至委派給最頂層的啟動類載入器為止。如果超類載入器無法載入委派給它的類，便將類的載入任務退回給下一級類載入器去執行載入。

雙親委派模型的工作過程是：如果一個類載入器收到了類載入的請求，它首先不會自己去嘗試載入這個類，而是把這個請求委派給父類載入器去完成，每一個層次的類載入器都是如此，因此所有的載入請求最終都應該傳送到頂層的啟動類載入器中，只有當父載入器反饋自己無法完成這個載入請求（它的搜尋範圍中沒有找到所需的類）時，子載入器才會嘗試自己去載入。

使用這種方式的好處是：能夠有效確保一個類的全域唯一性，當程式中出現多個全限定名相同的類時，類載入器在執行載入時，始終只會載入其中的某一個類。

使用雙親委派模型來組織類載入器之間的關係，有一個顯而易見的好處就是Java類隨著它的類載入器一起具備了一種帶有優先順序的層次關係。例如類java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，無論哪一個類載入器要載入這個類，最終都是委派給處於模型最頂端的啟動類載入器進行載入，因此Object類在程式的各種類載入器環境中都是同一個類。相反，如果沒有使用雙親委派模型，由各個類載入器自行去載入的話，如果使用者自己編寫了一個稱為java.lang.Object的類，並放在程式的Class-Path中，那系統中將會出現多個不同的Object類，Java類型體系中最基礎的行為也就無法保證，應用程式也將會變得一片混亂。如果自己去編寫一個與rt.jar類庫中已有類重名的Java類，將會發現可以正常編譯，但永遠無法被載入運行。

雙親委派模型對於保證Java程式的穩定運作很重要，但它的實現卻非常簡單，實現雙親委派的代碼都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法之中，邏輯清晰易懂：先檢查是否已經被載入過，若沒有載入則調用父載入器的loadClass()方法，若父載入器為空白則預設使用啟動類載入器作為父載入器。如果父類載入失敗，拋出ClassNotFoundException異常後，再調用自己的findClass()方法進行載入。

雙親委派機制只是Java虛擬機器規範建議採用的載入機制，實際在tomcat中，類載入器所採用的載入機制與傳統的雙親委派模型有一定的區別，當預設的類載入器接收到一個類的載入任務時，首先會去由它自行載入，當它載入失敗時，才會將類的載入任務委派給它的超類載入器去執行。

3、自訂類載入器

程式中如果沒有顯式指定類載入器的話，預設是AppClassLoader來載入，它負責載入ClassPath目錄中的所有類型，如果被載入的類型並沒有在ClassPath目錄中時，拋出java.lang.ClassNotFoundException異常。

一般是繼承ClassLoader，如果要符合雙親委派規範，則重寫findClass方法；要破壞的話，重寫loadClass方法。

雙親委派模型的第一次“被破壞”其實發生在雙親委派模型出現之前——即JDK 1.2發布之前。由於雙親委派模型在JDK 1.2之後才被引入，而類載入器和抽象類別java.lang.ClassLoader則在JDK1.0時代就已經存在，面對已經存在的使用者自訂類載入器的實現代碼，Java設計者引入雙親委派模型時不得不做出一些妥協。

為了向前相容，JDK 1.2之後的java.lang.ClassLoader添加了一個新的protected方法findClass()，在此之前，使用者去繼承java.lang.ClassLoader的唯一目的就是為了重寫loadClass()方法，因為虛擬機器在進行類載入的時候會調用載入器的私人方法loadClassInternal()，而這個方法的唯一邏輯就是去調用自己的load-Class()。

上一節我們已經看過loadClass()方法的代碼，雙親委派的具體邏輯就實現在這個方法之中，JDK1.2之後已不提倡使用者再去覆蓋loadClass()方法，而應當把自己的類載入邏輯寫到findClass()方法中，在loadClass()方法的邏輯裡如果父類載入失敗，則會調用自己的findClass()方法來完成載入，這樣就可以保證新寫出來的類載入器是符合雙親委派規則的。

 

二、類載入過程

 

一個完整的類載入過程必須經曆載入、串連、初始化這三個步驟：

 

1、載入

簡單的說，類載入階段就是由類載入器負責根據一個類的全限定名來讀取此類的二進位位元組流到JVM內部，並儲存在運行時記憶體區的方法區，然後將其轉換為一個與目標類型對應的java.lang.Class對象執行個體（Java虛擬機器規範並沒有明確要求一定要儲存在堆區中，只是hotspot選擇將ClassObject Storage Service在方法區中），這個Class對象在日後就會作為方法區中該類的各種資料的訪問入口。

2、串連

串連階段要做的是將載入到JVM中的二進位位元組流的類資料資訊合并到JVM的運行時狀態中，經由驗證、準備、解析三個階段。

（1）驗證階段
驗證類資料資訊是否符合JVM規範，是否是一個有效位元組碼檔案，驗證內容涵蓋了類資料資訊的格式驗證、語義分析、操作驗證等

 

格式驗證：驗證是否符合class檔案規格，比如以0xCAFEBABE開頭，大小版本號碼等

語意驗證：
a、檢查一個被標記為final的類型是否包含衍生類別
b、檢查一個類中的final方法是否被衍生類別進行重寫
c、確保超類與衍生類別之間沒有不相容的一些方法聲明（比如方法簽名相同，但方法的傳回值不同）

操作驗證：
在運算元棧中的資料必須進行正確的操作，對常量池中的各種符號引用執行驗證（通常在解析階段執行，檢查是否能通過符號引用中描述的全限定名定位到指定類型上，以及類成員資訊的存取修飾詞是否允許訪問等）。

（2）準備階段
為類中的所有靜態變數分配記憶體空間，並為其設定一個初始值（由於還沒有產生對象，執行個體變數將不再此操作範圍內）

（3）解析階段
將常量池中所有的符號引用轉為直接引用（得到類或者欄位、方法在記憶體中的指標或者位移量，以便直接調用該方法）。這個階段可以在初始化之後再執行。

3、初始化

將一個類中所有被static關鍵字標識的代碼統一執行一遍，如果執行的是靜態變數，那麼就會使用使用者指定的值覆蓋之前在準備階段設定的初始值；如果執行的是static代碼塊，那麼在初始化階段，JVM就會執行static代碼塊中定義的所有操作。

所有類變數初始化語句和靜態代碼塊都會在編譯時間被前端編譯器放在收集器裡頭，存放到一個特殊的方法中，這個方法就是<clinit>方法，即類/介面初始化方法。該方法的作用就是初始化一個類中的變數，使用使用者指定的值覆蓋之前在準備階段設定的初始值。任何invoke之類的位元組碼都無法調用<clinit>方法，因為該方法只能在類載入的過程中由JVM調用。

如果超類還沒有被初始化，那麼優先對超類初始化，但在<clinit>方法內部不會顯示調用超類的<clinit>方法，由JVM負責保證一個類的<clinit>方法執行之前，它的超類<clinit>方法已經被執行。

JVM必須確保一個類在初始化的過程中，如果是多線程需要同時初始化它，僅僅只能允許其中一個線程對其執行初始化操作，其餘線程必須等待，只有在活動線程執行完對類的初始化操作之後，才會通知正在等待的其他線程。

只有那些需要執行java代碼來為類變數執行賦值操作的類型在編譯之後才會在位元組碼中存在產生的<clinit>方法。如果一個類並沒有聲明任何的類變數，也沒有靜態代碼塊，那麼這個類在編譯為位元組碼後，位元組碼檔案中將不會包含<clinit>方法；同樣如果一個類聲明類變數，但沒有明確使用類變數的初始化語句以及靜態代碼塊來執行初始化操作，編譯後的位元組碼中也不會有<clinit>方法；只有final的靜態變數也不會有該方法。

 

類初始化的6種時機

（1）為一個類型建立一個新的對象執行個體時（比如new、反射、序列化）

（2）調用一個類型的靜態方法時（即在位元組碼中執行invokestatic指令）

（3）調用一個類型或介面的靜態欄位，或者對這些靜態欄位執行賦值操作時（即在位元組碼中，執行getstatic或者putstatic指令），不過用final修飾的靜態欄位除外，它被初始化為一個編譯時間常量運算式

（4）調用JavaAPI中的反射方法時（比如調用java.lang.Class中的方法，或者java.lang.reflect包中其他類的方法）

（5）初始化一個類的衍生類別時（Java虛擬機器規範明確要求初始化一個類時，它的超類必須提前完成初始化操作，介面例外）

（6）JVM啟動包含main方法的啟動類時。

  數組本身並不是由類載入器負責建立，而是由JVM在運行時根據需要而直接建立的，但數組的元素類型仍然需要依靠類載入器去建立。

Java的類載入機制