類載入器原理是這樣執行的

• 2020 年 6 月 22 日
• 筆記

原文鏈接：深入類載入原理
我們知道，我們寫的java文件是不能直接運行的，我們可以在IDEA中右鍵文件名點擊運行，這中間其實摻雜了一系列的複雜處理過程。這篇文章，我們只討論我們的程式碼在運行之前的一個環節，叫做類的載入。按照我寫文章的常規慣例，先給出這篇文章的大致結構；

首先，認識類載入機制，然後，詳細介紹類載入的過程。最後，介紹了類載入器，還有雙親委派原則。

廢話不多說，直接來看吧。

一、什麼是類的載入

在介紹類的載入機制之前，先來看看，類的載入機制在整個java程式運行期間處於一個什麼環節，下面使用一張圖來表示：

從上圖可以看，java文件通過編譯器變成了.class文件，接下來類載入器又將這些.class文件載入到JVM中。其中類裝載器的作用其實就是類的載入。今天我們要討論的就是這個環節。有了這個印象之後我們再來看類的載入的概念：

其實可以一句話來解釋：類的載入指的是將類的.class文件中的二進位數據讀入到記憶體中，將其放在運行時數據區的方法區內，然後在堆區創建一個 java.lang.Class對象，用來封裝類在方法區內的數據結構。

到現在為止，我們基本上對類載入機制處於整個程式運行的環節位置，還有類載入機制的概念有了基本的印象。在類載入.class文件之前，還有兩個問題需要我們去弄清楚：

1、在什麼時候才會啟動類載入器？

其實，類載入器並不需要等到某個類被「首次主動使用」時再載入它，JVM規範允許類載入器在預料某個類將要被使用時就預先載入它，如果在預先載入的過程中遇到了.class文件缺失或存在錯誤，類載入器必須在程式首次主動使用該類時才報告錯誤（LinkageError錯誤）如果這個類一直沒有被程式主動使用，那麼類載入器就不會報告錯誤。

2、從哪個地方去載入.class文件

在這裡進行一個簡單的分類。例舉了5個來源

（1）本地磁碟

（2）網上載入.class文件（Applet）

（3）從資料庫中

（4）壓縮文件中（ZAR，jar等）

（5）從其他文件生成的（JSP應用）

有了這個認識之後，下面就開始講講，類載入機制了。首先看的就是類載入機制的過程。

二、類載入的過程

類從被載入到虛擬機記憶體中開始，到卸載出記憶體為止，它的整個生命周期包括：載入、驗證、準備、解析、初始化、使用和卸載七個階段。它們的順序如下圖所示：

其中類載入的過程包括了載入、驗證、準備、解析、初始化五個階段。在這五個階段中，載入、驗證、準備和初始化這四個階段發生的順序是確定的，而解析階段則不一定，它在某些情況下可以在初始化階段之後開始。另外注意這裡的幾個階段是按順序開始，而不是按順序進行或完成，因為這些階段通常都是互相交叉地混合進行的，通常在一個階段執行的過程中調用或激活另一個階段。

下面就一個一個去分析一下這幾個過程。

1、載入

」載入「是」類加機制」的第一個過程，在載入階段，虛擬機主要完成三件事：

（1）通過一個類的全限定名來獲取其定義的二進位位元組流

（2）將這個位元組流所代表的的靜態存儲結構轉化為方法區的運行時數據結構

（3）在堆中生成一個代表這個類的Class對象，作為方法區中這些數據的訪問入口。

相對於類載入的其他階段而言，載入階段是可控性最強的階段，因為程式設計師可以使用系統的類載入器載入，還可以使用自己的類載入器載入。我們在最後一部分會詳細介紹這個類載入器。在這裡我們只需要知道類載入器的作用就是上面虛擬機需要完成的三件事，僅此而已就好了。

2、驗證

驗證的主要作用就是確保被載入的類的正確性。也是連接階段的第一步。說白了也就是我們載入好的.class文件不能對我們的虛擬機有危害，所以先檢測驗證一下。他主要是完成四個階段的驗證：

（1）文件格式的驗證：驗證.class文件位元組流是否符合class文件的格式的規範，並且能夠被當前版本的虛擬機處理。這裡面主要對魔數、主版本號、常量池等等的校驗（魔數、主版本號都是.class文件裡面包含的數據資訊、在這裡可以不用理解）。

（2）元數據驗證：主要是對位元組碼描述的資訊進行語義分析，以保證其描述的資訊符合java語言規範的要求，比如說驗證這個類是不是有父類，類中的欄位方法是不是和父類衝突等等。

（3）位元組碼驗證：這是整個驗證過程最複雜的階段，主要是通過數據流和控制流分析，確定程式語義是合法的、符合邏輯的。在元數據驗證階段對數據類型做出驗證後，這個階段主要對類的方法做出分析，保證類的方法在運行時不會做出威海虛擬機安全的事。

（4）符號引用驗證：它是驗證的最後一個階段，發生在虛擬機將符號引用轉化為直接引用的時候。主要是對類自身以外的資訊進行校驗。目的是確保解析動作能夠完成。

對整個類載入機制而言，驗證階段是一個很重要但是非必需的階段，如果我們的程式碼能夠確保沒有問題，那麼我們就沒有必要去驗證，畢竟驗證需要花費一定的的時間。當然我們可以使用-Xverfity:none來關閉大部分的驗證。

3、準備

準備階段主要為類變數分配記憶體並設置初始值。這些記憶體都在方法區分配。在這個階段我們只需要注意兩點就好了，也就是類變數和初始值兩個關鍵詞：

（1）類變數（static）會分配記憶體，但是實例變數不會，實例變數主要隨著對象的實例化一塊分配到java堆中，

（2）這裡的初始值指的是數據類型默認值，而不是程式碼中被顯示賦予的值。比如

public static int value = 1; //在這裡準備階段過後的value值為0，而不是1。賦值為1的動作在初始化階段。

當然還有其他的默認值。

注意，在上面value是被static所修飾的準備階段之後是0，但是如果同時被final和static修飾準備階段之後就是1了。我們可以理解為static final在編譯器就將結果放入調用它的類的常量池中了。

4、解析

解析階段主要是虛擬機將常量池中的符號引用轉化為直接引用的過程。什麼是符號應用和直接引用呢？

符號引用：以一組符號來描述所引用的目標，可以是任何形式的字面量，只要是能無歧義的定位到目標就好，就好比在班級中，老師可以用張三來代表你，也可以用你的學號來代表你，但無論任何方式這些都只是一個代號（符號），這個代號指向你（符號引用）直接引用：直接引用是可以指向目標的指針、相對偏移量或者是一個能直接或間接定位到目標的句柄。和虛擬機實現的記憶體有關，不同的虛擬機直接引用一般不同。解析動作主要針對類或介面、欄位、類方法、介面方法、方法類型、方法句柄和調用點限定符7類符號引用進行。

5、初始化

這是類載入機制的最後一步，在這個階段，java程式程式碼才開始真正執行。我們知道，在準備階段已經為類變數賦過一次值。在初始化階端，程式設計師可以根據自己的需求來賦值了。一句話描述這個階段就是執行類構造器< clinit >()方法的過程。

在初始化階段，主要為類的靜態變數賦予正確的初始值，JVM負責對類進行初始化，主要對類變數進行初始化。在Java中對類變數進行初始值設定有兩種方式：

①聲明類變數是指定初始值

②使用靜態程式碼塊為類變數指定初始值

JVM初始化步驟

1、假如這個類還沒有被載入和連接，則程式先載入並連接該類

2、假如該類的直接父類還沒有被初始化，則先初始化其直接父類

3、假如類中有初始化語句，則系統依次執行這些初始化語句

類初始化時機：只有當對類的主動使用的時候才會導致類的初始化，類的主動使用包括以下六種：

創建類的實例，也就是new的方式訪問某個類或介面的靜態變數，或者對該靜態變數賦值調用類的靜態方法反射（如 Class.forName(「com.shengsiyuan.Test」)）初始化某個類的子類，則其父類也會被初始化Java虛擬機啟動時被標明為啟動類的類（ JavaTest），直接使用 java.exe命令來運行某個主類好了，到目前為止就是類載入機制的整個過程，但是還有一個重要的概念，那就是類載入器。在載入階段其實我們提到過類載入器，說是在後面詳細說，在這就好好地介紹一下類載入器。

三、類載入器

虛擬機設計團隊把載入動作放到JVM外部實現，以便讓應用程式決定如何獲取所需的類。

1、Java語言系統自帶有三個類載入器:

Bootstrap ClassLoader ：最頂層的載入類，主要載入核心類庫，也就是我們環境變數下面%JRE_HOME%\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar和class等。另外需要注意的是可以通過啟動jvm時指定-Xbootclasspath和路徑來改變Bootstrap ClassLoader的載入目錄。比如java -Xbootclasspath/a:path被指定的文件追加到默認的bootstrap路徑中。我們可以打開我的電腦，在上面的目錄下查看，看看這些jar包是不是存在於這個目錄。Extention ClassLoader ：擴展的類載入器，載入目錄%JRE_HOME%\lib\ext目錄下的jar包和class文件。還可以載入-D java.ext.dirs選項指定的目錄。Appclass Loader：也稱為SystemAppClass。 載入當前應用的classpath的所有類。我們看到java為我們提供了三個類載入器，應用程式都是由這三種類載入器互相配合進行載入的，如果有必要，我們還可以加入自定義的類載入器。這三種類載入器的載入順序是什麼呢？

Bootstrap ClassLoader > Extention ClassLoader > Appclass Loader

一張圖來看一下他們的層次關係

程式碼驗證一下：

從上面的結果可以看出，並沒有獲取到ExtClassLoader的父Loader，原因是Bootstrap Loader（引導類載入器）是用C語言實現的，找不到一個確定的返回父Loader的方式，於是就返回null。

2、類載入的三種方式

認識了這三種類載入器，接下來我們看看類載入的三種方式。

（1）通過命令行啟動應用時由JVM初始化載入含有main()方法的主類。

（2）通過Class.forName()方法動態載入，會默認執行初始化塊（static{}），但是Class.forName(name,initialize,loader)中的initialze可指定是否要執行初始化塊。

（3）通過ClassLoader.loadClass()方法動態載入，不會執行初始化塊。

下面程式碼來演示一下

首先我們定義一個FDD類

public class FDD {static { System.out.println(“我是靜態程式碼塊。。。。”); }}

然後我們看一下如何去載入

package com.fdd.test;
public class FDDloaderTest { 
    public static void main(String\[\] args) throws ClassNotFoundException { 
        ClassLoader loader = HelloWorld.class.getClassLoader(); System.out.println(loader); 
        //一、 使用ClassLoader.loadClass()來載入類，不會執行初始化塊 loader.loadClass("Fdd"); 
        //二、 使用Class.forName()來載入類，默認會執行初始化塊 Class.forName("Fdd"); 
        //三、使用Class.forName()來載入類，指定ClassLoader，初始化時不執行靜態塊 Class.forName("Fdd", false, loader); 
    } 
}

上面是同不同的方式去載入類，結果是不一樣的。

3、雙親委派原則

他的工作流程是： 當一個類載入器收到類載入任務，會先交給其父類載入器去完成，因此最終載入任務都會傳遞到頂層的啟動類載入器，只有當父類載入器無法完成載入任務時，才會嘗試執行載入任務。這個理解起來就簡單了，比如說，另外一個人給小費，自己不會先去直接拿來塞自己錢包，我們先把錢給領導，領導再給領導，一直到公司老闆，老闆不想要了，再一級一級往下分。老闆要是要這個錢，下面的領導和自己就一分錢沒有了。（例子不好，理解就好）

採用雙親委派的一個好處是比如載入位於rt.jar包中的類java.lang.Object，不管是哪個載入器載入這個類，最終都是委託給頂層的啟動類載入器進行載入，這樣就保證了使用不同的類載入器最終得到的都是同樣一個Object對象。雙親委派原則歸納一下就是：

可以避免重複載入，父類已經載入了，子類就不需要再次載入更加安全，很好的解決了各個類載入器的基礎類的統一問題，如果不使用該種方式，那麼用戶可以隨意定義類載入器來載入核心api，會帶來相關隱患。4、自定義類載入器

在這一部分第一小節中，我們提到了java系統為我們提供的三種類載入器，還給出了他們的層次關係圖，最下面就是自定義類載入器，那麼我們如何自己定義類載入器呢？這主要有兩種方式

（1）遵守雙親委派模型：繼承ClassLoader，重寫findClass()方法。

（2）破壞雙親委派模型：繼承ClassLoader,重寫loadClass()方法。 通常我們推薦採用第一種方法自定義類載入器，最大程度上的遵守雙親委派模型。

我們看一下實現步驟

（1）創建一個類繼承ClassLoader抽象類

（2）重寫findClass()方法

（3）在findClass()方法中調用defineClass()

程式碼實現一下：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    private String libPath; 
    public DiskClassLoader(String path) { 
        libPath = path; 
    } 
    
    @Override protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
        String fileName = getFileName(name); File file = new File(libPath,fileName); 
        try { FileInputStream is = new FileInputStream(file); 
             ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream(); 
             int len = 0; 
             try { 
                 while ((len = is.read()) != -1) { 
                     bos.write(len); 
                 } 
             } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } 
             byte[] data = bos.toByteArray(); 
             is.close(); bos.close(); 
             return defineClass(name,data,0,data.length); 
            } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } 
        return super.findClass(name); 
    } 
    //獲取要載入 的class文件名 
    private String getFileName(String name) { 
        int index = name.lastIndexOf('.'); 
        if(index == -1){ 
            return name+".class"; 
        }else{ 
            return name.substring(index+1)+".class"; 
        } 
    }
}

接下來我們就可以自己去載入類了，使用方法大體就是兩行

MyClassLoader diskLoader = new MyClassLoader("D:\\\\lib");
//載入class文件，注意是com.fdd.TestClass c = diskLoader.loadClass("com.fdd.Test");

好了，java類得載入機制基本上就寫到這裡了。如果有不對的地方還請指正。

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