深入JVM-Class装载系统

一、Class文件的装载过程

Class类型通常以文件的形式存在(当然，任何二进制流都可以是Class类型)，只有被Java虚拟机装载的Class类型才能在程序中使用。系统状态Class类型可以分为加载、连接和初始化3个步骤。其中，连接又可分为验证、准备和解析3步。

1.1 类装载的条件

Class只有在必须要使用的时候才会被装载，Java虚拟机不会无条件的装载Class类型。Java虚拟机规定，一个类或接口在初次使用前，必须要进行初始化。这里指的“使用”，是指主动使用，主动使用只有下列几种情况：

创建一个类的实例，比如使用new关键字，或者通过反射、克隆、反序列化。
使用类的静态方法时，即当使用了字节码invokestatic指令。
使用类或接口的静态字段(final常量除外)，比如，使用getstatic或者putstatic指令。
使用java.lang.reflect包中的方法反射类的方法时。
当初始化子类时，要求先初始化父类。
作为启动虚拟机，含义main()方法的那个类。

除了以上的情况属于主动使用，其他的情况均属于被动使用。被动使用不会引起类的初始化。

主动引用的例子：

public class Parent {
    static{
        System.out.println("Parent init");
    }
}

public class Child extends Parent{
    static {
        System.out.println("Child init");
    }
}

public class IninMain{
    public static void main(String[] args){
        Child c = new Child();
    }
}

执行InitMain，结果为：

Parent init
Child init

被动引用的例子，被动引用不会导致类的装载。

public class Parent{
    static{
        System.out.println("Parent init");
    }
    public static int v = 100;
}

public class Child extends Parent{
    static{
        System.out.println("Child init");
    }
}

public class UseParent{
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(Child.v);
    }
}

输出结果为：

Parent init
100

可以看到，虽然在UseParent中，直接访问了子类对象，但是Child子类并未被初始化，只有Parent父类被初始化。ke'jian可见，在引用一个字段时，只有直接定义该字段的类，才会被初始化。

final常量不会引起类的初始化。

public class FinalFieldClass {
    public static final String constString = "CONST";
    static {
        System.out.println("FinalFieldClass init");
    }
}

public class UseFinalField {
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(FinalFieldClass.constString);
    }
}

运行以上代码输出结果为：

CONST

1.2 加载类

加载类处于类加载的第一个阶段。在加载类时，Java虚拟机必须完成以下工作：

通过类的全名，获取类的二进制数据流。
解析类的二进制数据流为方法区内的数据结构。
创建java.lang.Class类的实例，表示该类型。

1.3 验证类

Java虚拟机验证过程

1.4 准备

当一个类验证通过时，虚拟机就会进入准备阶段。在这个阶段，虚拟机会为这个类分配相应的内存空间，并设置初始值。

1.5 解析类

在准备阶段完成后，就进入了解析阶段。解析阶段的工作就是将类、接口、字段和方法的符号引用转为直接引用。

1.6 初始化

类的初始化是类装载的最后一个阶段。如果前面的步骤都没有问题，那么表示类可以顺利装载到系统中。此时，类才会开始执行Java字节码。初始化阶段的重要工作时执行类的初始化方法。方法是由编译器自动生成的，它是由类静态成员的赋值语句以及static语句块合并产生的。

二、掌握ClassLoader

2.1 看懂类加载

ClassLoader是Java的核心组件，所有的Class都是由ClassLoader进行加载的，ClassLoader负责通过各种方式将Class信息的二进制数据流读入系统，然后交给Java虚拟机进行连接、初始化等操作。因此，ClassLoader在整个装在阶段，只能影响到类的加载，而无法通过ClassLoader去改变类的连接和初始化行为。

从代码层面看，ClassLoader是一个抽象类，它提供了一些重要的接口，用于自定义Class的加载流程和加载方式。

在ClassLoader的结构中，还有一个重要的字段parent，他也是一个ClassLoader的实例，这个字段锁表示的ClassLoader也称为这个ClassLoader的双亲。在类加载的过程中，ClassLoader可能会将某些请求交与自己的双亲处理。

2.2 ClassLoader的分类

在标准的Java程序中，Java虚拟机会创建3类ClassLoader为整个应用程序服务。他们分别是：Bootstrap ClassLoader(启动类加载器)、Extension ClassLoader(扩展类加载器)和App ClassLoader(应用类加载器，也称为系统类加载器)。此外，每个应用程序还可以拥有自定义的ClassLoader，扩展Java虚拟机获取Class数据的能力。

ClassLoader层次结构

在虚拟机设计中，使用这种分散的ClassLoader去装载类是有好处的，不同层次的类可以由不同的ClassLoader加载，从而进行划分，这有助于系统的模块化设计。一般来说，启动类加载器负责加载系统的核心类，比如rt.jar中的Java类；扩展类加载器用于加载%JAVA_HOME%/lib/ext/*.jar中的Java类；应用类加载器用于加载用户类，也就是用户程序的类；自定义类加载器用于加载一些特殊途径的类，一般也是用户程序类。