序言

今天我們聊一聊Java中類(lèi)加載機(jī)制，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是程序運(yùn)行過(guò)程中，虛擬機(jī)把類(lèi)加載到內(nèi)存中，可以給程序使用。
我們先介紹原理，掌握原理之后，我們就應(yīng)用這個(gè)原理，來(lái)分析兩個(gè)具體的例子。

類(lèi)文件基本結(jié)構(gòu)

我們都知道，程序中的java文件，編譯之后，會(huì)生成對(duì)應(yīng)的Class文件，Class文件是一組以8字節(jié)為單位的二進(jìn)制流，各數(shù)據(jù)項(xiàng)按照嚴(yán)格的順序緊密排列，中間沒(méi)有任何間隔。
這么說(shuō)可能有點(diǎn)抽象，我們舉個(gè)例子：

public class Test {
    public int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

經(jīng)過(guò)編譯之后得到Test.class文件，然后我們執(zhí)行下面命令：
hexdump Test.class：

image.png

上圖是用十六進(jìn)制來(lái)表示Test.class二進(jìn)制流。每一位排列緊密，都有其含義。
下面，我們介紹一下Class文件中具體包含哪些內(nèi)容：

• 魔數(shù)：1-4字節(jié)，用來(lái)確定這個(gè)文件是否JVM認(rèn)可的Class文件，它的值位：0xCAFEBABE。
• 版本號(hào)：5-6字節(jié)標(biāo)識(shí)次版本號(hào)（minor version）,7-8字節(jié)表示主版本號(hào)（major version）。
• 常量池：常量池中常量的數(shù)量不是固定的，主要存放字面量（文本字符串、final常量）和符號(hào)引用（類(lèi)和接口全限定名、字段名稱(chēng)與描述、方法名稱(chēng)與發(fā)描述）。
• 訪(fǎng)問(wèn)標(biāo)志：主要用來(lái)識(shí)別類(lèi)和接口的訪(fǎng)問(wèn)信息（是否為public、是否為final、是否為接口、是否為抽象、是否為注解、是否為枚舉等）。
• 類(lèi)、父類(lèi)、接口索引：用來(lái)確定該類(lèi)和父類(lèi)的全限定名，以及描述該類(lèi)實(shí)現(xiàn)了哪些接口。
• 字段表集合：描述接口或者類(lèi)中聲明的變量、字段。包括類(lèi)變量和實(shí)例變量，不包括方法內(nèi)的局部變量。
• 方法表集合：用來(lái)描述方法相關(guān)信息

知道了Class存儲(chǔ)格式細(xì)節(jié)，那么類(lèi)是如何加載到JVM中的呢？不急，下面我們會(huì)介紹。

擴(kuò)展：結(jié)合上一篇文章JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)，我們就不難知道，類(lèi)結(jié)構(gòu)被加載到JVM后存儲(chǔ)在JVM方法區(qū)中。

類(lèi)加載流程

類(lèi)的加載是虛擬機(jī)通過(guò)類(lèi)的全限定名來(lái)獲取此類(lèi)的二進(jìn)制字節(jié)流。
我們先看一下，類(lèi)加載流程圖：
[圖片上傳失敗...(image-c9e3f4-1548600350447)]
由圖可知，類(lèi)加載流程有七個(gè)步驟，分別是：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化、使用、卸載。下面依次介紹這幾個(gè)步驟：

• 加載：類(lèi)加載的第一個(gè)階段，JVM將字節(jié)碼從各個(gè)位置（網(wǎng)絡(luò)、磁盤(pán)）轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制字節(jié)流加載到內(nèi)存中，接著在JVM的方法區(qū)為這個(gè)類(lèi)創(chuàng)建一個(gè)Class對(duì)象，這個(gè)Class對(duì)象是該類(lèi)各種數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)入口。
• 驗(yàn)證：類(lèi)加載完之后，JVM會(huì)對(duì)二進(jìn)制字節(jié)流進(jìn)行校驗(yàn)，只有符合規(guī)范的文件才能被正確執(zhí)行。校驗(yàn)包括JVM規(guī)范校驗(yàn)（如文件是否已0xcafebabe開(kāi)頭，主次版本號(hào)是否在JVM處理范圍內(nèi)等）和代碼邏輯校驗(yàn)（主要是針對(duì)代碼的數(shù)據(jù)流和控制流，確保運(yùn)行該字節(jié)碼不會(huì)出現(xiàn)致命錯(cuò)誤。例如方法接受int型參數(shù)，卻傳一個(gè)String類(lèi)型）。
• 準(zhǔn)備：這個(gè)階段，JVM為類(lèi)變量（static修飾，區(qū)別成員變量）分配內(nèi)存并初始化，這里的初始化是指為類(lèi)變量賦予Java中該數(shù)據(jù)類(lèi)型的默認(rèn)值（如String的默認(rèn)值是null，int默認(rèn)值是0），但如果類(lèi)變量被final修飾，則會(huì)直接賦予用戶(hù)代碼中的初始值（這點(diǎn)也比較好理解，final修飾的變量一旦賦值就不能修改，所以只能一開(kāi)始就直接賦予用戶(hù)想要的值）。
• 解析：準(zhǔn)備階段過(guò)后，JVM針對(duì)類(lèi)和接口、字段、類(lèi)方法、接口方法、方法類(lèi)型、方法句柄、調(diào)用點(diǎn)限定符7類(lèi)引用進(jìn)行解析。主要任務(wù)是把它在常量池中的符號(hào)引用替換為其在內(nèi)存中的直接引用。（這個(gè)階段堆我們來(lái)說(shuō)幾乎透明，了解一下就行了）
• 初始化：用戶(hù)編寫(xiě)的Java代碼從這個(gè)階段才開(kāi)始執(zhí)行。在這個(gè)階段，JVM會(huì)根據(jù)語(yǔ)句執(zhí)行順序?qū)︻?lèi)對(duì)象進(jìn)行初始化，一般來(lái)說(shuō)，JVM遇到5種情況會(huì)觸發(fā)初始化。
  • 遇到new、getstataic、putstatic、invokestatic字節(jié)碼指令時(shí)，如果類(lèi)沒(méi)有初始化，就會(huì)觸發(fā)其進(jìn)行初始化。場(chǎng)景包括通過(guò)new實(shí)例化對(duì)象、讀取或設(shè)置類(lèi)的靜態(tài)字段（final修飾除外）、調(diào)用類(lèi)的靜態(tài)方法。
  • 對(duì)類(lèi)進(jìn)行反射調(diào)用時(shí)，如果類(lèi)沒(méi)有初始化，則會(huì)觸發(fā)其初始化。
  • 初始化一個(gè)類(lèi)的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)其父類(lèi)還未初始化，則會(huì)先觸發(fā)其父類(lèi)初始化。
  • 虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，用戶(hù)指定一個(gè)執(zhí)行的主類(lèi)（包含main()的那個(gè)類(lèi)），虛擬機(jī)會(huì)先初始化這個(gè)主類(lèi)。
  • 使用動(dòng)態(tài)語(yǔ)言支持時(shí)（jdk1.7開(kāi)始），如果一個(gè)MethodHandle實(shí)例最后解析結(jié)果REF_getstatic、REF_putstatic、REF_invokestatic的方法句柄，并且這個(gè)方法句柄對(duì)應(yīng)的類(lèi)未初始化，則先觸發(fā)其初始化。
• 使用：JVM從入口方法開(kāi)始執(zhí)行用戶(hù)代碼。（了解一下就行）
• 卸載：用戶(hù)程序執(zhí)行完畢之后，JVM開(kāi)始銷(xiāo)毀創(chuàng)建的Class對(duì)象。最后負(fù)責(zé)運(yùn)行的JVM也退出內(nèi)存。（了解一下就行）

類(lèi)加載器

類(lèi)加載器是用來(lái)執(zhí)行類(lèi)加載動(dòng)作的角色。

類(lèi)和類(lèi)加載器息息相關(guān)，判斷兩個(gè)類(lèi)是否相等，只有在這兩個(gè)類(lèi)被同一個(gè)類(lèi)加載器加載的情況下才有意義，否則即使是同一個(gè)類(lèi)，被不同的類(lèi)加載器加載，他們也不是相等的。

類(lèi)加載器可以分為三類(lèi)：

• 啟動(dòng)類(lèi)加載器：負(fù)責(zé)加載JAVA_HOME\lib目錄下的類(lèi)庫(kù)到內(nèi)存中。
• 擴(kuò)展類(lèi)加載器：負(fù)責(zé)加載JAVA_HOME\lib\ext目錄下的類(lèi)庫(kù)到內(nèi)存中
• 應(yīng)用類(lèi)加載器：負(fù)責(zé)加載用戶(hù)類(lèi)路徑上的類(lèi)庫(kù)，如果應(yīng)用程序沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自己的類(lèi)加載器，默認(rèn)使用這個(gè)類(lèi)加載器去加載程序中的類(lèi)庫(kù)。

既然有這么多加載器，那么加載類(lèi)的時(shí)候會(huì)選擇什么類(lèi)加載器呢？
著這個(gè)時(shí)候，需要提到類(lèi)加載器的雙親委派模型，流程圖如下：

image.png

如果一個(gè)類(lèi)加載器收到加載類(lèi)的請(qǐng)求，它不會(huì)立刻去加載，它會(huì)先請(qǐng)求父類(lèi)加載器，每個(gè)層次的類(lèi)加載器都是如此。層層傳遞，知道最高層的類(lèi)加載器，只有當(dāng)父類(lèi)加載器反饋?zhàn)约簾o(wú)法加載這個(gè)類(lèi)，才會(huì)由當(dāng)前子類(lèi)加載器去加載該類(lèi)。

為什么要這么做呢？這是為了讓越基礎(chǔ)的類(lèi)由越高層的類(lèi)加載器去加載，如Object類(lèi)，最后都會(huì)傳遞給最高層類(lèi)加載器去加載。類(lèi)的相等性，是由類(lèi)與類(lèi)加載器共同決定，這樣無(wú)論在何種類(lèi)加載器環(huán)境下都是同一個(gè)類(lèi)。相反，如果沒(méi)有雙親委派模型，每個(gè)類(lèi)加載器都會(huì)去加載Object，系統(tǒng)中就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)不同Object類(lèi)，如此一來(lái)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的行為都無(wú)法保證了。

舉例分析原理

為了鞏固上面的類(lèi)加載原理，下面給出兩個(gè)例子，供大家分析。

例子一

public class Book {
    public static void main(String[] args) {
        staticMethod();
    }

    static Book book = new Book();

    public Book() {
        System.out.println("Book構(gòu)造方法");
        System.out.println("Book的price="+price+"，amount="+amount);
    }

    {
        System.out.println("Book中普通代碼塊");
    }

    int price = 110;

    static {
        System.out.println("Book中靜態(tài)代碼塊");
    }

    public static void staticMethod() {
        System.out.println("Book中靜態(tài)方法");
        System.out.println("Book amount=" + amount);
    }

    static int amount =  112;
}

給各位同學(xué)5分鐘，寫(xiě)出這個(gè)程序輸出的內(nèi)容。
1.,,2,,,3,,,,4,,,,,5
各位同學(xué)有答案了嗎，正確的答案如下：

Book中普通代碼塊
Book構(gòu)造方法
Book的price=110，amount=0
Book中靜態(tài)代碼塊
Book中靜態(tài)方法
Book amount=112

如果你的答案跟這個(gè)一樣，恭喜你，你對(duì)類(lèi)加載機(jī)制已經(jīng)有了深刻的認(rèn)識(shí)。
下面，我解釋一下，答案為什么是這樣的：

• JVM在準(zhǔn)備階段，會(huì)為類(lèi)變量分配內(nèi)存并且初始化類(lèi)變量。此時(shí)，變量book初始化為null，變量amount初始化為0。
• 進(jìn)入初始化階段后，main方法是程序的入口，所以Book是我們指定的主類(lèi)，這時(shí)候JVM會(huì)初始化Book，即執(zhí)行類(lèi)構(gòu)造器。
• JVM對(duì)Book進(jìn)行初始化，首先是執(zhí)行類(lèi)構(gòu)造器（按順序收集類(lèi)中的靜態(tài)代碼塊和靜態(tài)變量賦值語(yǔ)句就組成類(lèi)構(gòu)造器），后執(zhí)行對(duì)象構(gòu)造器（按順序收集成員變量賦值語(yǔ)句和普通代碼塊，最后收集對(duì)象構(gòu)造器，組成對(duì)象構(gòu)造器）。

對(duì)于Book類(lèi)，其類(lèi)構(gòu)造器可以表示為：

static Book book = new Book();

static {
  System.out.println("Book中靜態(tài)代碼塊");
}

static int amount =  112;

首先執(zhí)行static Book book = new Book();，這條語(yǔ)句會(huì)觸發(fā)類(lèi)的實(shí)例化，于是JVM執(zhí)行對(duì)象構(gòu)造器，對(duì)象構(gòu)造器可以表示為：

{
    System.out.println("Book中普通代碼塊");
}

int price = 110;

public Book() {
    System.out.println("Book構(gòu)造方法");
    System.out.println("Book的price="+price+"，amount="+amount);
}

首先，輸出Book中普通代碼塊，然后給price賦值為110，接著執(zhí)行對(duì)象構(gòu)造方法，先輸出Book構(gòu)造方法，再輸出Book的price=110，amount=0（靜態(tài)變量amount再準(zhǔn)備階段賦值為0）。
Book對(duì)象構(gòu)造器執(zhí)行完畢之后，繼續(xù)執(zhí)行靜態(tài)代碼塊，輸出Book中靜態(tài)代碼塊，然后給靜態(tài)變量賦值為112，這時(shí)類(lèi)構(gòu)造器也執(zhí)行完畢。
回到入口方法main中，執(zhí)行staticMethod方法，先輸出Book中靜態(tài)方法，在輸出Book amount=112，到這里，整個(gè)程序執(zhí)行完畢。
看了分析之后，有沒(méi)有一種豁然開(kāi)朗的感覺(jué)呢??！

例子二

class Grandpa {
    static {
        System.out.println("Grandpa靜態(tài)代碼塊");
    }

    public Grandpa() {
        System.out.println("我是爺爺");
    }
}

class Father extends Grandpa {
    static {
        System.out.println("Father靜態(tài)代碼塊");
    }

    public Father() {
        System.out.println("我是爸爸");
    }

    static int age = 26;
}

class Son extends Father {
    static {
        System.out.println("Son靜態(tài)代碼塊");
    }

    public Son() {
        System.out.println("我是兒子");
    }
}

public class SonTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("爸爸的歲數(shù): " + Son.age);
        new Son();
    }
}

理解了第一個(gè)例子，相信這個(gè)例子就難不倒大家了，直接公布答案吧：

Grandpa靜態(tài)代碼塊
Father靜態(tài)代碼塊
爸爸的歲數(shù): 26
Son靜態(tài)代碼塊
我是爺爺
我是爸爸
我是兒子

解釋?zhuān)撼绦蛉肟跒閙ain方法，首先會(huì)初始化SonTest類(lèi)，而SonTest中并沒(méi)有內(nèi)容，所以不用管，直接進(jìn)入main方法中，調(diào)用Son.age，而age是父類(lèi)中的靜態(tài)字段，就會(huì)直接初始化父類(lèi)Father，而不會(huì)初始化子類(lèi)（規(guī)則：對(duì)于靜態(tài)字段，只有直接定義這個(gè)字段的類(lèi)才會(huì)被初始化）。
初始化Father的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)它繼承Grandpa，而Grandpa此時(shí)也還沒(méi)有初始化，所以此時(shí)先初始化Grandpa。Grandpa類(lèi)構(gòu)造器中只有一段靜態(tài)代碼塊，會(huì)輸出Grandpa靜態(tài)代碼塊，然后初始化Father構(gòu)造器，輸出Father構(gòu)造器，接著就會(huì)輸出main方法中的第一句爸爸的歲數(shù)為：26。
接著是實(shí)例化Son對(duì)象，調(diào)用Son的對(duì)象構(gòu)造方法，會(huì)先調(diào)用父類(lèi)Father對(duì)象構(gòu)造方法，而Father又繼承Grandpa，所以先調(diào)用Grandpa對(duì)象構(gòu)造方法，所以最后一次輸出我是爺爺，我是爸爸，我是兒子。

到這里，相信大家知道怎樣分析這類(lèi)問(wèn)題?？偨Y(jié)一個(gè)方法論：

1. 確定類(lèi)變量的初始值：在類(lèi)加載準(zhǔn)備階段，JVM為類(lèi)變量（靜態(tài)變量）初始化默認(rèn)值，如果被final修飾，則會(huì)直接初始化用戶(hù)賦予的值。
2. 初始化入口方法：進(jìn)入類(lèi)加載初始化階段，JVM會(huì)尋找main方法入口，從而初始化main方法所在的類(lèi)，當(dāng)需要初始化一個(gè)類(lèi)時(shí)，先初始化類(lèi)構(gòu)造器，之后初始化對(duì)象構(gòu)造器。
3. 初始化類(lèi)構(gòu)造器：JVM按照順序收集類(lèi)變量賦值語(yǔ)句，靜態(tài)代碼塊，最終組成類(lèi)構(gòu)造器，JVM執(zhí)行這個(gè)類(lèi)構(gòu)造器。
4. 初始化對(duì)象構(gòu)造器：JVM按照順序收集成員變量賦值語(yǔ)句，普通代碼塊，最后收集對(duì)象構(gòu)造方法，經(jīng)他們組成對(duì)象構(gòu)造器，最終由JVM執(zhí)行。

總結(jié)

本文先介紹類(lèi)加載機(jī)制的原理，然后舉例2個(gè)，幫助大家應(yīng)用原理來(lái)分析具體場(chǎng)景，最后總結(jié)一套方法論，如果遇到同樣的問(wèn)題，可以使用這套方法論來(lái)解決。希望對(duì)大家有幫助。