类加载子系统

前言

本篇文章主要讲解 ClassLoader 的作用以及类的加载。在ClassLoader内部发生了什么? 内部是如何加载字节码文件的?

一. 主要作用

类加载子系统: 主要从网络或者文件系统加载class文件(字节码文件)，只负责class文件(字节码文件)的加载。至于它是否可以运行，则由ExecutionEngine决定。

1.1 加载字节码文件(简易)

• Car.class字节码文件通过ClassLoader加载到内存中(方法区)。
• 通过getClassLoader()方法可以得到是谁加载的这个类(Car.class)。也就是获取到了加载器。
• 通过调用构造器生成一些Car的实例在堆中。
• 反过来Car的实例通过getClass()方法可以获取由哪个类(.class)创建的。
• 初始化的Car Class在内存中(方法区)只存在一个。

二. 类的加载过程

2.1 加载阶段<主要在内存中生成了java.lang.Class对象实例>

提示

    在加载阶段虚拟机需要完成三件事:

• 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
• 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，作为方法区这些数据的访问入口。

提示

    加载.class文件的方式:

• 从ZIP压缩包中读取，成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。
• 从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Web Applet。
• 由其他文件生成，典型场景是JSP应用，由JSP文件生成对应的Class文件。
• 运行时计算生成，使用最多的就是:动态代理技术。
• 可以从加密文件中获取。
• 从数据库中读取，这种场景相对少见些。

2.2 链接阶段

2.2.1 第一步: 验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚 拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作:

• 文件格式验证: 验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如: 是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
• 元数据验证: 对字节码描述的信息进行语义分析(注意: 对比javac编译阶段的语义分析)，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如: 这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。
• 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。
• 符号引用验证: 确保解析动作能正确执行。

2.2.2 第二步: 准备

准备阶段是为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初 始值的阶段。

注意

• 这时候进行内存分配的仅包括类变量(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(如0、0L、null、false等)，而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。
  假设一个类变量的定义为: public static int value = 33; 那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为3的put static指令是在程序编译后，存放于类构造器clinit()方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。

基本数据类型零值

数据类型	零值
int	0
long	0L
short	(short)0
char	'\u0000'
byte	(byte)0
boolean	false
float	0.0f
double	0.0d
reference	null

2.2.3 第三步: 解析

• 解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。
• 直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

3. 初始化阶段

3.1 初始化阶段理解

就是根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。就是执行类构造器< clinit >()方法的过程。

3.2 < Clinit() >方法

并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物。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(static{})块中的语句合并产生的。

• < clinit >()方法是必需的吗？

非必需: < clinit >()方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的

赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成< clinit >()方法。

• 构造方法中的指令按语句在源文件中出现的顺序执行！

静态语句块中只能访问到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!
如下代码示例: 

查看代码

public class Test {
  static {
    num = 1; // 给变量复制可以正常编译通过
    System.out.print(num); // 这句编译器会提示“非法向前引用”
  }
  static int num = 2;
}

• Java虚拟机会保证在子类的< clinit >()方法执行前，父类的< clinit >()方法已经执行 完毕 如下代码示例:

查看代码

static class Parent {
    public static int numA = 1;
    static {
      numA = 2;
    }
}
static class Sub extends Parent {
  public static int numB = numA;
}
public static void main(String[] args) {
  System.out.println(Sub.numB); //等于2
}

三. 类的初始化时机

遇到new、getStatic、putStatic、invokestatic四条字节码指令时。若类没有进行过初始化则需要先经过初始化阶段。能生成这四条指令的java场景有:

• 通过new 关键字实例化对象时
• 访问类的静态方法或者静态变量(包含对静态变量的赋值)
• 使用反射类的时(Class.forName)
• 当初始化类的时候，父类若是还没初始化。则先触发父类的初始化。
• 虚拟机启动时，需要指定一个主类也就是启动类(包含main方法的)，虚拟机先初始化这个主类。