從 1 開始學 JVM 系列
類加載器，對於很多人來說並不陌生。我自己第一次聽到這個概念時覺得有點“高大上”，覺得只有深入 JDK 源碼才會觸碰到 ClassLoader，平時都是傳聞中的東西。
今天，就讓我們一起來探索一下這”傳聞“中的類加載器，看看它是何方神聖。
類生命周期
在正式聊類加載器之前，我們先正本清源，看看類的生命周期是什么樣的。
為了方便后續解讀，下面我貼了一張圖展示了類的生命周期的 7 個步驟。
對於前 5 步，簡單來說就是加載、鏈接、初始化，這是一個類最關鍵的加載步驟。
對照着上圖，我們逐一來解釋一下。
- 加載(Loading)：找 Class 文件
- 驗證(Verification)：驗證格式、依賴
- 准備(Preparation)：靜態字段、方法表
- 解析(Resolution)：符號解析為引用
- 初始化(Initialization)：構造器、靜態變量賦值、靜態代碼塊
- 使用(Using)
- 卸載(Unloading)
1.加載
所謂的加載，就是查找字節流，並根據字節流創建類的過程。
- 對於數組類，它沒有對應的字節流，是由 Java 虛擬機直接生成的。
- 對於其他的類，Java 虛擬機需要借助類加載器來完成查找字節流的過程。
以蓋房子為例，Jack 想要要蓋個房子，按照流程他要先找個建築師，跟他說想要設計一個房型，比如說“一房一廳兩衛”。這里的房型就相當於類，而建築師就相當於類加載器。
啟動類加載器
建築界有許多的建築師，他們等級分明，但都有着共同的祖師爺，叫「啟動類加載器（boot class loader）」。由於啟動類加載器是由 C++ 實現的，沒有對應的 Java 對象，因此在 Java 中只能用 null 來指代。
// jdk中 BootstrapClass 是 native 實現
private native Class<?> findBootstrapClass(String name);
但是，祖師爺不喜歡像 Jack 這樣的小角色來打擾他，所以誰也沒有祖師爺的聯系方式，也就相當於 null 指代。
除了啟動類加載器之外，其他的類加載器都是 java.lang.ClassLoader 的子類，有對應的 Java 對象。這些類加載器需要先由另一個類加載器，比如說啟動類加載器，加載至 Java 虛擬機中，方能執行類加載。
雙親委派模型
建築師界有個潛規則：接到單子后自己不能着手干，得先給師傅過過目。師傅不接手的情況下，才能自己來。即等級高的師傅有優先選擇權。
在 Java 虛擬機中，這個潛規則就是「雙親委派模型」。每當一個類加載器接收到加載請求時，它會先將請求轉發給父類加載器。在父類加載器沒有找到請求的類時，這個類加載器才會嘗試去加載。
加載器類型
| 加載器類型(Java 9 之前) | 作用 | 加載路徑 |
|---|---|---|
| 啟動類加載器 | 負責加載最為基礎、最為重要的類 | 比如存放在 JRE 的 lib 目錄下 jar 包中的類（以及由虛擬機參數 -Xbootclasspath 指定的類） |
| 擴展類加載器 （extension class loader） | 父類加載器是啟動類加載器。它負責加載相對次要、但又通用的類 | 比如存放在 JRE 的 lib/ext 目錄下 jar 包中的類（以及由系統變量 java.ext.dirs 指定的類） |
| 應用類加載器 （application class loader） | 父類加載器則是擴展類加載器。它負責加載應用程序路徑下的類。 默認情況下，應用程序中包含的類便是由應用類加載器加載的 | 這里的應用程序路徑，便是指虛擬機參數 -cp/-classpath、系統變量 java.class.path 或環境變量 CLASSPATH 所指定的路徑。 |
Java 9 引入了模塊系統，並且略微更改了上述的類加載器。擴展類加載器被改名為「平台類加載器（platform class loader）」。Java SE 中除了少數幾個關鍵模塊，比如說 java.base 是由啟動類加載器加載之外，其他的模塊均由平台類加載器所加載。
除了由 Java 核心類庫提供的類加載器外，我們還可以加入「自定義類加載器」，實現特殊的加載方式。
舉個例子，我們可以對 class 文件進行加密，加載時再利用自定義類加載器對其解密。
類加載器的命名空間
除了加載功能之外，類加載器還提供了「命名空間」的作用。
打個比方，假設建築界不講版權，如果某個人剽竊了另一個建築師的設計作品，只要你標上自己的名字，這兩個房型就是不同的。
在 Java 虛擬機中，類的唯一性是由類加載器實例以及類的全名一同確定的。即便是同一串字節流，經由不同的類加載器加載，也會得到兩個不同的類。
在大型應用中，我們往往借助這一特性，來運行同一個類的不同版本。
2.鏈接
鏈接，是指將創建好的類合並至 Java 虛擬機中，使之能夠執行的過程。它可分為驗證、准備以及解析三個階段。
-
- 「驗證」階段的目的，在於確保被加載類能夠滿足 Java 虛擬機的約束條件。
這就好比 Jack 需要將設計好的房型提交給市政部門審核。只有當審核通過，才能繼續下面的建造工作。
通常而言，Java 編譯器生成的類文件必然滿足 Java 虛擬機的約束條件。
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2.「准備」階段的目的，則是為被加載類的靜態字段分配內存。Java 代碼中對靜態字段的具體初始化，則會在稍后的初始化階段中進行。
過了這個階段，算是蓋好了毛坯房。雖然結構已經完整，但沒有裝修之前不能住人。
除了分配內存外，部分 Java 虛擬機會在此階段構造其他跟類層次相關的數據結構，比如說用來實現虛方法的動態綁定的方法表。
在 class 文件被加載至 Java 虛擬機之前，這個類無法知道其他類及其方法、字段所對應的具體地址，甚至不知道自己方法、字段的地址。因此，每當需要引用這些成員時，Java 編譯器會生成一個「符號引用」。在運行階段，這個符號引用一般都能夠無歧義地定位到具體目標上。
舉個例子，對於一個方法調用，編譯器會生成一個包含目標方法所在類的名字、目標方法的名字、接收參數類型以及返回值類型的符號引用，來指代所要調用的方法。（即方法簽名）
-
3.「解析」階段的目的，正是將這些符號引用解析成為實際引用。
如果符號引用指向一個未被加載的類，或者未被加載類的字段或方法，那么解析將觸發這個類的加載（但未必觸發這個類的鏈接以及初始化。）
-
符號引用就好比“Jack 的房子”這種說法，不管它存在不存在，我們可以用這種說法指代 Jack 的房子。
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實際引用則好比實際的通訊地址，如果我們想要與 Jack 通信，則需要啟動蓋房子的過程。
Java 虛擬機規范並沒有要求在鏈接過程中完成解析。它僅規定了：如果某些字節碼使用了符號引用，那么在執行這些字節碼之前，需要完成對這些符號引用的解析。
-
3.初始化
靜態字段的賦值
Java 中如果要初始化一個靜態字段，我們可以在聲明時直接賦值，也可以在靜態代碼塊中對其賦值。
- 如果直接賦值的靜態字段被 final 所修飾，並且它的類型是基本類型或字符串時，那么該字段便會被 Java 編譯器標記成「常量值（ConstantValue）」，其初始化直接由 Java 虛擬機完成。
- 除此之外的直接賦值操作，以及所有靜態代碼塊中的代碼，則會被 Java 編譯器置於同一方法中，並把它命名為 < clinit >。
初始化
類加載的最后一步是初始化，便是為標記為常量值的字段賦值和執行 < clinit > 方法的過程。Java 虛擬機會通過加鎖來確保類的 < clinit > 方法僅被執行一次。
只有當初始化完成之后，類才正式成為可執行的狀態。
在蓋房子的例子中，相當於房子裝修好了，Jack 可以真正拎包入住了。
那么，類的初始化何時會被觸發呢？
JVM 規范枚舉了下述多種觸發情況：
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當虛擬機啟動時，初始化用戶指定的主類，就是啟動執行的 main 方法所在的類；
-
當遇到用以新建目標類實例的 new 指令時，初始化 new 指令的目標類；
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當遇到調用靜態方法的指令時，初始化該靜態方法所在的類；
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當遇到訪問靜態字段的指令時，初始化該靜態字段所在的類；
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子類的初始化會觸發父類的初始化；
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如果一個接口定義了 default 方法，那么直接實現或者間接實現該接口的類的初始化，會觸發該接口的初始化；
和繼承類似(5、6 條都是面向對象)
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使用反射 API 對某個類進行反射調用時，初始化這個類；
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當初次調用 MethodHandle 實例時，初始化該 MethodHandle 指向的方法所在的類。
和反射類似(7、8 條都是反射相關)
// 單例延遲初始化例子
public class Singleton {
private Singleton() {}
private static class LazyHolder {
static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance() {
return LazyHolder.INSTANCE;
}
}
只有當調用 Singleton.getInstance 時，程序才會訪問 LazyHolder.INSTANCE，才會觸發對 LazyHolder 的初始化（對應第 4 種情況），繼而新建一個 Singleton 的實例。
由於類的初始化線程安全，並且僅被執行一次，因此程序可以確保多線程環境下有且僅有一個 Singleton 實例。
那么，什么時候不會初始化，但可能會加載？
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通過子類引用父類的靜態字段，只會觸發父類的初始化，而不會觸發子類的初始化。
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定義對象數組，不會觸發該類的初始化。
直到 new 才觸發
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常量在編譯期間會存入調用類的常量池中，本質上並沒有直接引用定義常量的類，不會觸發定義常量所在的類。
常量不是變量
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通過類名獲取 Class 對象，不會觸發類的初始化，Hello.class 不會讓 Hello 類初始化。
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通過 Class.forName 加載指定類時，如果指定參數 initialize 為 false 時，也不會觸發類初始化，其實這個參數是告訴虛擬機，是否要對類進行初始化。Class.forName (“jvm.Hello”)默認會加載 Hello 類。
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通過 ClassLoader 默認的 loadClass 方法，也不會觸發初始化動作(加載了，但不初始化)。
流程概覽
為了方便查看，我畫了一張流程圖演示上面的步驟。
END
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