Java类加载机制

2019-01-27  本文已影响0人  左大人

序言

今天我们聊一聊Java中类加载机制，简单来说，就是程序运行过程中，虚拟机把类加载到内存中，可以给程序使用。
我们先介绍原理，掌握原理之后，我们就应用这个原理，来分析两个具体的例子。

类文件基本结构

我们都知道，程序中的java文件，编译之后，会生成对应的Class文件，Class文件是一组以8字节为单位的二进制流，各数据项按照严格的顺序紧密排列，中间没有任何间隔。
这么说可能有点抽象，我们举个例子：

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

经过编译之后得到Test.class文件，然后我们执行下面命令：
hexdump Test.class：

image.png

上图是用十六进制来表示Test.class二进制流。每一位排列紧密，都有其含义。
下面，我们介绍一下Class文件中具体包含哪些内容：

知道了Class存储格式细节，那么类是如何加载到JVM中的呢？不急，下面我们会介绍。

扩展：结合上一篇文章JVM内存结构，我们就不难知道，类结构被加载到JVM后存储在JVM方法区中。

类加载流程

类的加载是虚拟机通过类的全限定名来获取此类的二进制字节流。
我们先看一下，类加载流程图：
[图片上传失败...(image-c9e3f4-1548600350447)]
由图可知，类加载流程有七个步骤，分别是：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载。下面依次介绍这几个步骤：

类加载器

类加载器是用来执行类加载动作的角色。

类和类加载器息息相关，判断两个类是否相等，只有在这两个类被同一个类加载器加载的情况下才有意义，否则即使是同一个类，被不同的类加载器加载，他们也不是相等的。

类加载器可以分为三类：

既然有这么多加载器，那么加载类的时候会选择什么类加载器呢？
着这个时候，需要提到类加载器的双亲委派模型，流程图如下：


image.png

如果一个类加载器收到加载类的请求，它不会立刻去加载，它会先请求父类加载器，每个层次的类加载器都是如此。层层传递，知道最高层的类加载器，只有当父类加载器反馈自己无法加载这个类，才会由当前子类加载器去加载该类。

为什么要这么做呢？这是为了让越基础的类由越高层的类加载器去加载，如Object类，最后都会传递给最高层类加载器去加载。类的相等性，是由类与类加载器共同决定，这样无论在何种类加载器环境下都是同一个类。相反，如果没有双亲委派模型，每个类加载器都会去加载Object，系统中就会出现多个不同Object类，如此一来系统最基础的行为都无法保证了。

举例分析原理

为了巩固上面的类加载原理，下面给出两个例子，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构造方法");
        System.out.println("Book的price="+price+"，amount="+amount);
    }

    {
        System.out.println("Book中普通代码块");
    }

    int price = 110;

    static {
        System.out.println("Book中静态代码块");
    }

    public static void staticMethod() {
        System.out.println("Book中静态方法");
        System.out.println("Book amount=" + amount);
    }

    static int amount =  112;
}

给各位同学5分钟，写出这个程序输出的内容。
1.,,2,,,3,,,,4,,,,,5
各位同学有答案了吗，正确的答案如下：

Book中普通代码块
Book构造方法
Book的price=110，amount=0
Book中静态代码块
Book中静态方法
Book amount=112

如果你的答案跟这个一样，恭喜你，你对类加载机制已经有了深刻的认识。
下面，我解释一下，答案为什么是这样的：

对于Book类，其类构造器可以表示为：

static Book book = new Book();

static {
  System.out.println("Book中静态代码块");
}

static int amount =  112;

首先执行static Book book = new Book();，这条语句会触发类的实例化，于是JVM执行对象构造器，对象构造器可以表示为：

{
    System.out.println("Book中普通代码块");
}

int price = 110;

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

首先，输出Book中普通代码块，然后给price赋值为110，接着执行对象构造方法，先输出Book构造方法，再输出Book的price=110，amount=0（静态变量amount再准备阶段赋值为0）。
Book对象构造器执行完毕之后，继续执行静态代码块，输出Book中静态代码块，然后给静态变量赋值为112，这时类构造器也执行完毕。
回到入口方法main中，执行staticMethod方法，先输出Book中静态方法，在输出Book amount=112，到这里，整个程序执行完毕。
看了分析之后，有没有一种豁然开朗的感觉呢！！

例子二

class Grandpa {
    static {
        System.out.println("Grandpa静态代码块");
    }

    public Grandpa() {
        System.out.println("我是爷爷");
    }
}

class Father extends Grandpa {
    static {
        System.out.println("Father静态代码块");
    }

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

    static int age = 26;
}

class Son extends Father {
    static {
        System.out.println("Son静态代码块");
    }

    public Son() {
        System.out.println("我是儿子");
    }
}

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

理解了第一个例子，相信这个例子就难不倒大家了，直接公布答案吧：

Grandpa静态代码块
Father静态代码块
爸爸的岁数: 26
Son静态代码块
我是爷爷
我是爸爸
我是儿子

解释：程序入口为main方法，首先会初始化SonTest类，而SonTest中并没有内容，所以不用管，直接进入main方法中，调用Son.age，而age是父类中的静态字段，就会直接初始化父类Father，而不会初始化子类（规则：对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化）。
初始化Father的时候，发现它继承Grandpa，而Grandpa此时也还没有初始化，所以此时先初始化Grandpa。Grandpa类构造器中只有一段静态代码块，会输出Grandpa静态代码块，然后初始化Father构造器，输出Father构造器，接着就会输出main方法中的第一句爸爸的岁数为：26。
接着是实例化Son对象，调用Son的对象构造方法，会先调用父类Father对象构造方法，而Father又继承Grandpa，所以先调用Grandpa对象构造方法，所以最后一次输出我是爷爷，我是爸爸，我是儿子。

到这里，相信大家知道怎样分析这类问题。总结一个方法论：

  1. 确定类变量的初始值：在类加载准备阶段，JVM为类变量（静态变量）初始化默认值，如果被final修饰，则会直接初始化用户赋予的值。
  2. 初始化入口方法：进入类加载初始化阶段，JVM会寻找main方法入口，从而初始化main方法所在的类，当需要初始化一个类时，先初始化类构造器，之后初始化对象构造器。
  3. 初始化类构造器：JVM按照顺序收集类变量赋值语句，静态代码块，最终组成类构造器，JVM执行这个类构造器。
  4. 初始化对象构造器：JVM按照顺序收集成员变量赋值语句，普通代码块，最后收集对象构造方法，经他们组成对象构造器，最终由JVM执行。

总结

本文先介绍类加载机制的原理，然后举例2个，帮助大家应用原理来分析具体场景，最后总结一套方法论，如果遇到同样的问题，可以使用这套方法论来解决。希望对大家有帮助。

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