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Java 的类加载机制

news 来源：原创 2024/5/9 9:42:54

01、字节码

计算机只认识 0 和 1，所以任何语言编写的程序都需要编译成机器码才能被计算机理解，然后执行，Java 也不例外。

在不同平台（Windows、Linux）上运行的 Java 虚拟机（JVM）——负责载入和执行 Java 编译后的字节码。

通过源码.java->(编译器）字节码.class->JVM

02、类加载过程

Java 的类加载过程可以分为 5 个阶段：载入、验证、准备、解析和初始化。这 5 个阶段一般是顺序发生的，但在动态绑定的情况下，解析阶段发生在初始化阶段之后。

1）Loading（载入）

JVM 在该阶段的主要目的是将字节码从不同的数据源（可能是 class 文件、也可能是 jar 包，甚至网络）转化为二进制字节流加载到内存中，并生成一个代表该类的 java.lang.Class 对象。

2）Verification（验证）

JVM 会在该阶段对二进制字节流进行校验，只有符合 JVM 字节码规范的才能被 JVM 正确执行。该阶段是保证 JVM 安全的重要屏障，下面是一些主要的检查。

确保二进制字节流格式符合预期（比如说是否以 cafe bene 开头）。
是否所有方法都遵守访问控制关键字的限定。
方法调用的参数个数和类型是否正确。
确保变量在使用之前被正确初始化了。
检查变量是否被赋予恰当类型的值。

3）Preparation（准备）

JVM 会在该阶段对类变量（也称为静态变量，static 关键字修饰的）分配内存并初始化（对应数据类型的默认初始值，如 0、0L、null、false 等）。

也就是说，假如有这样一段代码：

public String string = "变量";
public static String static_string = "静态变量";
public static final String final_string = "不可以变量";

string 不会被分配内存，而 strtic_string 会；但 static_string 的初始值不是“静态变量”而是 null。

需要注意的是，static final 修饰的变量被称作为常量，和类变量不同。常量一旦赋值就不会改变了，所以 final_string 在准备阶段的值为“不可变量”而不是 null。

4）Resolution（解析）

该阶段将常量池中的符号引用转化为直接引用。

what？符号引用，直接引用？

符号引用以一组符号（任何形式的字面量，只要在使用时能够无歧义的定位到目标即可）来描述所引用的目标。

在编译时，Java 类并不知道所引用的类的实际地址，因此只能使用符号引用来代替。比如 com.Wanger 类引用了 com.Chenmo 类，编译时 Wanger 类并不知道 Chenmo 类的实际内存地址，因此只能使用符号 com.Chenmo。

直接引用通过对符号引用进行解析，找到引用的实际内存地址。

5）Initialization（初始化）

该阶段是类加载过程的最后一步。在准备阶段，类变量已经被赋过默认初始值，而在初始化阶段，类变量将被赋值为代码期望赋的值。

上面这段话说得很抽象，不好理解，举个例子。

String string = new String("zhangvalue");

上面这段代码使用了 new 关键字来实例化一个字符串对象，那么这时候，就会调用 String 类的构造方法对 string 进行实例化。

03、类加载器

聊完类加载过程，就不得不聊聊类加载器。

一般来说，Java 程序员并不需要直接同类加载器进行交互。JVM 默认的行为就已经足够满足大多数情况的需求了。不过，如果遇到了需要和类加载器进行交互的情况，而对类加载器的机制又不是很了解的话，就不得不花大量的时间去调试
ClassNotFoundException 和 NoClassDefFoundError 等异常。

对于任意一个类，都需要由它的类加载器和这个类本身一同确定其在 JVM 中的唯一性。也就是说，如果两个类的加载器不同，即使两个类来源于同一个字节码文件，那这两个类就必定不相等（比如两个类的 Class 对象不 equals）。

站在程序员的角度来看，Java 类加载器可以分为三种。

1）启动类加载器（Bootstrap Class-Loader），加载 jre/lib 包下面的 jar 文件，比如说常见的 rt.jar。

2）扩展类加载器（Extension or Ext Class-Loader），加载 jre/lib/ext 包下面的 jar 文件。

3）应用类加载器（Application or App Clas-Loader），根据程序的类路径（classpath）来加载 Java 类。

通过一段简单的代码了解下。

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader loader = Test.class.getClassLoader();
        while (loader != null) {
            System.out.println(loader.toString());
            loader = loader.getParent();
        }
    }

}

每个 Java 类都维护着一个指向定义它的类加载器的引用，通过 类名.class.getClassLoader() 可以获取到此引用；然后通过 loader.getParent() 可以获取类加载器的上层类加载器。

这段代码的输出结果如下：