類加載機制與對象初始化

一 . 類加載機制

• 類加載機制是指.class文件加載到jvm並形成Class對象的機制。之后應用可對Class對象進行實例化並調用。類加載機制可在運行時動態加載外部的類，還可以達到類隔離的效果。

• 類從而加載到虛擬機中開始，整個過程分為下圖七個階段，其中驗證，准備，解析統稱為解析。圖中加載，驗證，准備，初始化，卸載這5個階段的順序是確定的，類的加載過程必須按照這種過程按部就班的開始，而解析則不一定，它在某些情況下可能在初始化之后才開始，這是為了支持java語言的運行時綁定。

  

   

  1 . 裝載： 裝載過程負責找到二進制字節碼並加載至JVM--即負責查找和導入class文件。

  2 . 鏈接:

  (1) 檢驗：鏈接過程負責對二進制字節碼的格式進行檢驗，檢查class文件數據的正確性 (2) 准備：初始化裝載類中的靜態變量，給類的靜態變量分配存儲空間 (3) 解析：解析類中調用的接口，類，將符號引用轉為直接引用。

  3 . 初始化：初始化過程即執行類中的靜態初始化代碼，構造器代碼以及靜態屬性的初始化。以下四種情況會立即觸發初始化          

             (1) 調用了new，讀取或設置一個類的靜態字段的時候，或者調用一個類的靜態方法的時候。
             (2) 反射調用了類中的方法
　　　　(3) 子類調用了初始化，如果子類初始化的時候發現父類尚未初始化，則會先出發父類的初始化。
　　　　(4) JVM啟動過程中指定的初始化類（包含main方法的類）
　　　　(5)當使用JDK 1.7的動態語言支持時，如果一個java.lang.invoke.MethodHandle實例最后的解析結果REF_getStatic,REF_putStatic,REF_invokeStatic的方法句柄,並且這個方法句柄對應的類沒有初始化,則需要先觸發其初始化.

• JVM 的類加載通過ClassLoader及其子類來完成，分別是Bootstrap ClassLoader，Extension ClassLoader，App ClassLoader 以及用戶自定義的繼承自ClassLoader抽象類的實現Custom ClassLoader。

• (1) Bootstrap ClassLoader : 此類並非ClassLoader的子類，在代碼中沒辦法拿到這個類的對象，Sun JDK會在啟動時自動加載此類。此加載器會將存放於<JAVA_HOME>\lib目錄中的，或者被-Xbootclasspath參數所指定的路徑中的，並且是虛擬機識別的（僅按照文件名識別，如 rt.jar 名字不符合的類庫即使放在lib目錄中也不會被加載）類庫加載到虛擬機內存中

  (2) Extension ClassLoader : 此加載器會將<JAVA_HOME>\lib\ext目錄下的，或者被java.ext.dirs系統變量所指定的路徑中的所有類庫加載.

  (3) App ClassLoader : 此加載器會將用戶類路徑(ClassPath)上所指定的類庫加載。

• (4) Custom ClassLoader : 基於自定義的ClassLoader加載非classpath中的jar及目錄，還可以在加載之前對class文件做一些動作，例如加密。

• JVM 的ClassLoader采用的是樹形結構，除 Bootstrap ClassLoader外都會有父級的ClassLoader。加載類時通常會按照樹形結構的原則進行。如果一個類加載器接收到了類加載的請求，它首先把這個請求委托給他的父類加載器去完成，每個層次的類加載器都是如此，因此所有的加載請求都應該傳送到頂層的啟動類加載器中，只有當父加載器反饋自己無法完成這個加載請求（它在搜索范圍中沒有找到所需的類）時，子加載器才會嘗試自己去加載。 這樣做的好處是：java類隨着它的類加載器一起具備了一種帶有優先級的層次關系。例如類java.lang.Object，它存放在rt.jar中，無論哪個類加載器要加載這個類，最終都會委派給啟動類加載器進行加載，因此Object類在程序的各種類加載器環境中都是同一個類。相反，如果用戶自己寫了一個名為java.lang.Object的類，並放在程序的Classpath中，那系統中將會出現多個不同的Object類，java類型體系中最基礎的行為也無法保證，應用程序也會變得一片混亂。

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二 . 初始化

java會盡量保證變量在使用前得到恰當的初始化，對於局部變量，如果未初始化會得到編譯時的錯誤，對於成員變量會自動初始化（0，null等）。
可以使用構造方法初始化成員變量，在運行時刻，可以調用方法或者執行某些動作來確定初值。但需要記住一點：無法阻止自動初始化的進行,它在構造方法被調用之前發生。對於所有基本類型和對象引用，包括在定義時已經指定初始值的變量，情況也是一樣的.例如如下實例代碼，i首先會被置為0，然后替換為指定的初始值7.

public class TestClass(){
    int i;//自動初始化賦值為0
    public static void main(String[] args){
        i = 7;//賦值為7
    }
}

 

1 . 初始化的順序:在類的內部，變量定義的先后順序決定了初始化的順序。即使變量的定義散布於方法定義之間，他們仍會在任何方法（包括構造方法）被調用之前得到初始化
對於如下代碼：w3這個引用會被初始化兩次，一次在調用構造方法之前，一次在調用期間，這時第一次引用的對象將被丟棄並被垃圾回收.

 public class House {
    Window w1 = new Window(1);
    public House() {
        System.out.println("House()");
        w3 = new Window(3_3);
    }
    Window w2 = new Window(2);
    public void method() {
        System.out.println("method()");
    }
    Window w3 = new Window(3);
    public static void main(String[] args) {
        House house = new House();
    }
}
class Window {
    Window(int order) {
        System.out.println("window" + order);
    }
} 
  //輸出結果為：
  window1
  window2
  window3
  House()
  window33

 

2 . 靜態數據的初始化
靜態初始化只有在必要的時候才進行，初始化的順序是先靜態對象（如果它們尚未因前面的的對象創建過程而被初始化），而后是“非靜態”對象。
示例代碼如下：

public class StaticInitailization {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("creating new CupBoard() in main");
        new CupBoard();
        System.out.println("creating new CupBoard() in main");
        new CupBoard();
        table.f2(1);
        cupBoard.f3(1);
    }
    static Table table = new Table();
    static CupBoard cupBoard = new CupBoard();
}

class Bowl {
    public Bowl(int i) {
        System.out.println("Bowl(" + i + ")");
    }
    void f1(int i) {
        System.out.println("f1(" + i + ")");
    }
}

class Table {
    static Bowl bowl1 = new Bowl(1);
    Table() {
        System.out.println("Table()");
        bowl2.f1(1);
    }
    void f2(int i) {
        System.out.println("f2(" + i + ")");
    }
    static Bowl bowl2 = new Bowl(2);
}

class CupBoard {
    Bowl bowl3 = new Bowl(3);
    static Bowl bowl4 = new Bowl(4);
    CupBoard() {
        System.out.println("CupBoard()");
        bowl4.f1(2);
    }
    void f3(int i) {
        System.out.println("f3(" + i + ")");
    }
    static Bowl bowl5 = new Bowl(5);
}
// 結果如下：
Bowl(1)
Bowl(2)
Table()
f1(1)
Bowl(4)
Bowl(5)
Bowl(3)
CupBoard()
f1(2)
creating new CupBoard() in main
Bowl(3)
CupBoard()
f1(2)
creating new CupBoard() in main
Bowl(3)
CupBoard()
f1(2)
f2(1)
f3(1)

 

3 . 對象的創建過程: 假設有個名為Dog 的類

(1) 即使沒有顯示的使用static關鍵字，構造方法實際上也是靜態方法。因此，當首次創建Dog類的對象時，或者Dog類的靜態方法或者靜態變量被訪問時，java解釋器必須先查找類路徑，以定位Dog.class文件

(2)載入Dog.class文件（這將創建一個Class對象），有關靜態初始化的所有動作都會執行。因此，靜態初始化只在類首次加載的時候進行一次

(3)用new Dog 創建對象的時候，首先會在堆上為該對象分配足夠的存儲空間

(4)這塊存儲空間會被清零，這將會自動的為該對象的的所有基本數據類型賦初值

(5)執行所有出現於字段定義處的初始化動作。

(6)執行構造方法。

• 復雜對象調用構造方法的順序：
  (1) 在其他任何事物發生之前，將分配給對象的的存儲空間初始化為二進制的零
  (2) 調用父類的構造方法
  (3) 按照聲明順序調用成員的初始化方法
  (4) 調用子類構造方法的主體部分

• 編寫構方法注意避免調用其他方法，在構造方法內唯一能安全調用的方法是父類中的final方法（也適用於private方法，他們自動屬於final方法）。這些方法不能被override（覆寫）

參考書籍：分布式java應用基礎與實踐--林昊 3.1.2節 類加載機制
參考博客1：深入理解Java：類加載機制及反射
參考博客2：Java中普通代碼塊，構造代碼塊，靜態代碼塊區別及代碼示例