一道面試題搞懂JVM類加載機制（類被初始化的幾種情況，類文件加載的過程）

有這樣一道面試題：

class Singleton{
    private static Singleton singleton = new Singleton();
    public static int value1;
    public static int value2 = 0;

    private Singleton(){
        value1++;
        value2++;
    }

    public static Singleton getInstance(){
        return singleton;
    }

}

class Singleton2{
    public static int value1;
    public static int value2 = 0;
    private static Singleton2 singleton2 = new Singleton2();

    private Singleton2(){
        value1++;
        value2++;
    }

    public static Singleton2 getInstance2(){
        return singleton2;
    }

}

public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        System.out.println("Singleton1 value1:" + singleton.value1);
        System.out.println("Singleton1 value2:" + singleton.value2);

        Singleton2 singleton2 = Singleton2.getInstance2();
        System.out.println("Singleton2 value1:" + singleton2.value1);
        System.out.println("Singleton2 value2:" + singleton2.value2);
    }

輸出結果如下：

稍后會帶來分析。

一 類加載機制

JVM類加載分為5個過程：加載，驗證，准備，解析，初始化，使用，卸載，如下圖所示： 

下面來看看加載，驗證，准備，解析，初始化這5個過程的具體動作。

1.1 加載

加載主要是將.class文件（並不一定是.class。可以是ZIP包，網絡中獲取）中的二進制字節流讀入到JVM中。 在加載階段，JVM需要完成3件事： 1）通過類的全限定名獲取該類的二進制字節流；
2）將字節流所代表的靜態存儲結構轉化為方法區的運行時數據結構；
3）在內存中生成一個該類的java.lang.Class對象，作為方法區這個類的各種數據的訪問入口。

1.2 連接

1.2.1 驗證

驗證是連接階段的第一步，主要確保加載進來的字節流符合JVM規范。
驗證階段會完成以下4個階段的檢驗動作：
1）文件格式驗證
2）元數據驗證(是否符合Java語言規范)
3）字節碼驗證（確定程序語義合法，符合邏輯）
4）符號引用驗證（確保下一步的解析能正常執行）

1.2.2 准備

准備是連接階段的第二步，主要為靜態變量在方法區分配內存，並設置默認初始值。

1.2.3 解析

解析是連接階段的第三步，是虛擬機將常量池內的符號引用替換為直接引用的過程。

1.3 初始化

初始化階段是類加載過程的最后一步，主要是根據程序中的賦值語句主動為類變量賦值。
注：
1）當有父類且父類為初始化的時候，先去初始化父類；
2）再進行子類初始化語句。

（假如構造方法是public的，被new之后，也是在靜態變量初始化完成之后才會執行構造方法）

什么時候需要對類進行初始化？

1）使用new該類實例化對象的時候；
2）讀取或設置類靜態字段的時候（但被final修飾的字段，在編譯器時就被放入常量池的靜態字段除外static final）；
3）調用類靜態方法的時候；
4）使用反射Class.forName(“xxxx”)對類進行反射調用的時候，該類需要初始化；
5） 初始化一個類的時候，有父類，先初始化父類（注：1. 接口除外，父接口在調用的時候才會被初始化；2.子類引用父類靜態字段，只會引發父類初始化）；
6） 被標明為啟動類的類（即包含main()方法的類）要初始化；
7）當使用JDK1.7的動態語言支持時，如果一個java.invoke.MethodHandle實例最后的解析結果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，並且這個方法句柄所對應的類沒有進行過初始化，則需要先觸發其初始化。

以上情況稱為對一個類進行主動引用，且有且只要以上幾種情況需要對類進行初始化。

再回過頭來分析一開始的面試題：

Singleton輸出結果：1 0

原因：

1 首先執行main中的Singleton singleton = Singleton.getInstance(); 
2 類的加載：加載類Singleton 
3 類的驗證 
4 類的准備：為靜態變量分配內存，設置默認值。這里為singleton(引用類型)設置為null,value1,value2（基本數據類型）設置默認值0 
5 類的初始化（按照賦值語句進行修改）： 
  執行private static Singleton singleton = new Singleton(); 
  執行Singleton的構造器：value1++;value2++; 此時value1，value2均等於1 
  執行 
  　　public static int value1; 
  　　public static int value2 = 0; 
  此時value1=1，value2=0

Singleton2輸出結果：1 1 

原因：

1 首先執行main中的Singleton2 singleton2 = Singleton2.getInstance2(); 
2 類的加載：加載類Singleton2 
3 類的驗證 
4 類的准備：為靜態變量分配內存，設置默認值。這里為value1,value2（基本數據類型）設置默認值0,singleton2(引用類型)設置為null, 
5 類的初始化（按照賦值語句進行修改）： 
  執行 
　　public static int value2 = 0; 
  此時value2=0(value1不變，依然是0); 
  執行 
　　private static Singleton singleton = new Singleton(); 
  執行Singleton2的構造器：value1++;value2++; 
  此時value1，value2均等於1,即為最后結果

二 類加載器

類加載器實現的功能是即為加載階段獲取二進制字節流的時候。

JVM提供了以下3種系統的類加載器：

•  啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader）：最頂層的類加載器，負責加載 JAVA_HOME\lib 目錄中的，或通過-Xbootclasspath參數指定路徑中的，且被虛擬機認可（按文件名識別，如rt.jar）的類。
•  擴展類加載器(Extension ClassLoader)：負責加載 JAVA_HOME\lib\ext 目錄中的，或通過java.ext.dirs系統變量指定路徑中的類庫。
•  應用程序類加載器(Application ClassLoader)：也叫做系統類加載器，可以通過getSystemClassLoader()獲取，負責加載用戶路徑（classpath）上的類庫。如果沒有自定義類加載器，一般這個就是默認的類加載器。

類加載器之間的層次關系如下：

照片來源：http://www.importnew.com/25295.html

類加載器之間的這種層次關系叫做雙親委派模型。
雙親委派模型要求除了頂層的啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader）外，其余的類加載器都應當有自己的父類加載器。這里的類加載器之間的父子關系一般不是以繼承關系實現的，而是用組合實現的。

雙親委派模型的工作過程

如果一個類接受到類加載請求，他自己不會去加載這個請求，而是將這個類加載請求委派給父類加載器，這樣一層一層傳送，直到到達啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader）。 
只有當父類加載器無法加載這個請求時，子加載器才會嘗試自己去加載。

破壞雙親委派模型

雙親委派模型很好的解決了各個類加載器加載基礎類的統一性問題。即越基礎的類由越上層的加載器進行加載。
若加載的基礎類中需要回調用戶代碼，而這時頂層的類加載器無法識別這些用戶代碼，怎么辦呢？這時就需要破壞雙親委派模型了。
下面介紹兩個例子來講解破壞雙親委派模型的過程。

JNDI破壞雙親委派模型

JNDI是Java標准服務，它的代碼由啟動類加載器去加載。但是JNDI需要回調獨立廠商實現的代碼，而類加載器無法識別這些回調代碼（SPI）。
為了解決這個問題，引入了一個線程上下文類加載器。 可通過Thread.setContextClassLoader()設置。
利用線程上下文類加載器去加載所需要的SPI代碼，即父類加載器請求子類加載器去完成類加載的過程，而破壞了雙親委派模型。

Spring破壞雙親委派模型

Spring要對用戶程序進行組織和管理，而用戶程序一般放在WEB-INF目錄下，由WebAppClassLoader類加載器加載，而Spring由Common類加載器或Shared類加載器加載。
那么Spring是如何訪問WEB-INF下的用戶程序呢？
使用線程上下文類加載器。 Spring加載類所用的classLoader都是通過Thread.currentThread().getContextClassLoader()獲取的。當線程創建時會默認創建一個AppClassLoader類加載器（對應Tomcat中的WebAppclassLoader類加載器）： setContextClassLoader(AppClassLoader)。
利用這個來加載用戶程序。即任何一個線程都可通過getContextClassLoader()獲取到WebAppclassLoader。

三 附上Tomcat類加載架構：

Tomcat目錄下有4組目錄：

/common目錄下：類庫可以被Tomcat和Web應用程序共同使用；由 Common ClassLoader類加載器加載目錄下的類庫；
/server目錄：類庫只能被Tomcat可見；由 Catalina ClassLoader類加載器加載目錄下的類庫；
/shared目錄：類庫對所有Web應用程序可見，但對Tomcat不可見；由 Shared ClassLoader類加載器加載目錄下的類庫；
/WebApp/WEB-INF目錄：僅僅對當前web應用程序可見。由 WebApp ClassLoader類加載器加載目錄下的類庫；
每一個JSP文件對應一個JSP類加載器。

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原文：https://blog.csdn.net/noaman_wgs/article/details/74489549