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詳解JAVA類加載機(jī)制

更新時(shí)間：2020年06月09日 16:07:08 作者：你個(gè)小禿頭

這篇文章主要介紹了JAVA類加載機(jī)制的相關(guān)知識(shí)，文中代碼非常詳細(xì)，供大家參考和學(xué)習(xí)，感興趣的朋友可以了解下

1.一段簡(jiǎn)單的代碼

首先來(lái)一段代碼，這個(gè)是單例模式，可能有的人不知道什么是單例模式，我就簡(jiǎn)單說(shuō)一下

單例模式是指一個(gè)類有且只有一種對(duì)象實(shí)例。這里用的是餓漢式，還有懶漢式，雙檢鎖等等。。。。

寫這個(gè)是為了給大家看一個(gè)現(xiàn)象

class SingleTon{
 public static int count1;
 public static int count2=0;
 private static SingleTon instance=new SingleTon();
 public SingleTon(){
  count1++;
  count2++;
 }

 public static SingleTon getInstance() {
  return instance;
 }
}
public class JVMTest {
 public static void main(String[] args) {
  SingleTon.getInstance();
  System.out.println(SingleTon.count1);
  System.out.println(SingleTon.count2);
 }
}

執(zhí)行結(jié)果：

同樣的代碼我把private static SingleTon instance=new SingleTon()移到上面

我們?cè)倏磮?zhí)行結(jié)果：

可以發(fā)現(xiàn)執(zhí)行結(jié)果發(fā)生了變化

這個(gè)先放在這，等了解了類加載機(jī)制過(guò)程，后面再說(shuō)

2.什么是類加載機(jī)制

　　概念：Java中的類加載機(jī)制指虛擬機(jī)把描述類的數(shù)據(jù)從 Class 文件加載到內(nèi)存，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換、解析和初始化，最終形成可以被虛擬機(jī)直接使用的 Java 類型。

　　大白話：其實(shí)就是把字節(jié)碼文件放在虛擬機(jī)里面去

　　與那些在編譯時(shí)需要進(jìn)行連接工作的語(yǔ)言不同，在Java語(yǔ)言中，類型的加載、連接、初始化都是在程序運(yùn)行期間完成的，這種策略雖然會(huì)令類加載時(shí)稍微多一些性能的開銷，但是會(huì)為Java應(yīng)用程序提供高度的靈活性。

　　類從被加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中開始，到卸載出內(nèi)存為止，它的整個(gè)生命周期包括了：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化、使用、卸載七個(gè)階段。驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析被稱為連接

　　注意：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、初始化、使用、卸載這幾個(gè)順序是確定的，但是解析不一定，它在某些情況下可以在初始化階段后再開始，主要是為了支持Java語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)綁定（只做了解即可）

　　類加載機(jī)制包括前面五個(gè)階段。

3.類加載時(shí)機(jī)

　　什么情況下虛擬機(jī)需要開始加載一個(gè)類呢？虛擬機(jī)規(guī)范中并沒有對(duì)此進(jìn)行強(qiáng)制約束，這點(diǎn)可以交給虛擬機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)來(lái)自由把握。

4.類初始化時(shí)機(jī)

　　那么，什么情況下虛擬機(jī)需要開始初始化一個(gè)類呢？這在虛擬機(jī)規(guī)范中是有嚴(yán)格規(guī)定的，虛擬機(jī)規(guī)范指明有且只有五種情況必須立即對(duì)類進(jìn)行初始化（而這一過(guò)程自然發(fā)生在加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備之后）：

　　遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic這四條字節(jié)碼指令（注意，newarray指令觸發(fā)的只是數(shù)組類型本身的初始化，而不會(huì)導(dǎo)致其相關(guān)類型的初始化（比如，new String[]只會(huì)直接觸發(fā)String[]的初始化，也就是觸發(fā)對(duì)類java.lang.String的初始化，而直接不會(huì)觸發(fā)String類的初始化）時(shí)，如果類沒有進(jìn)行過(guò)初始化，則需要先對(duì)其進(jìn)行初始化。

生成這四條指令的最常見的Java代碼場(chǎng)景是：

1 使用new關(guān)鍵字實(shí)例化對(duì)象的時(shí)候；
2 讀取或設(shè)置一個(gè)類的靜態(tài)字段（被final修飾，已在編譯器把結(jié)果放入常量池的靜態(tài)字段除外）的時(shí)候；
3 調(diào)用一個(gè)類的靜態(tài)方法的時(shí)候。
　　2) 使用java.lang.reflect包的方法對(duì)類進(jìn)行反射調(diào)用的時(shí)候，如果類沒有進(jìn)行過(guò)初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。

　　3) 當(dāng)初始化一個(gè)類的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)其父類還沒有進(jìn)行過(guò)初始化，則需要先觸發(fā)其父類的初始化。

　　4) 當(dāng)虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，用戶需要指定一個(gè)要執(zhí)行的主類（包含main()方法的那個(gè)類），虛擬機(jī)會(huì)先初始化這個(gè)主類。

　　5) 當(dāng)使用jdk1.7動(dòng)態(tài)語(yǔ)言支持時(shí)，如果一個(gè)java.lang.invoke.MethodHandle實(shí)例最后的解析結(jié)果REF_getstatic,REF_putstatic,REF_invokeStatic的方法句柄，并且這個(gè)方法句柄所對(duì)應(yīng)的類沒有進(jìn)行初始

化，則需要先出觸發(fā)其初始化。

　　注意，對(duì)于這五種會(huì)觸發(fā)類進(jìn)行初始化的場(chǎng)景，虛擬機(jī)規(guī)范中使用了一個(gè)很強(qiáng)烈的限定語(yǔ)：“有且只有”，這五種場(chǎng)景中的行為稱為對(duì)一個(gè)類進(jìn)行主動(dòng)引用。除此之外，所有引用類的方式，都不會(huì)觸發(fā)初始化，稱為被動(dòng)引用。

　　特別需要指出的是，類的實(shí)例化與類的初始化是兩個(gè)完全不同的概念：

　　　　類的實(shí)例化是指創(chuàng)建一個(gè)類的實(shí)例(對(duì)象)的過(guò)程；

5.類加載過(guò)程

加載：

加載“是”類加機(jī)制”的第一個(gè)過(guò)程，在加載階段，虛擬機(jī)主要完成三件事：

（1）通過(guò)一個(gè)類的全限定名（可以理解為絕對(duì)路徑）來(lái)獲取其定義的二進(jìn)制字節(jié)流

（2）將這個(gè)字節(jié)流所代表的的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（3）在堆中生成一個(gè)代表這個(gè)類的Class對(duì)象，作為方法區(qū)中這些數(shù)據(jù)的訪問(wèn)入口。

相對(duì)于類加載的其他階段而言，加載階段是可控性最強(qiáng)的階段，因?yàn)槌绦騿T可以使用系統(tǒng)的類加載器加載，還可以使用自己的類加載器加載。我們?cè)谧詈笠徊糠謺?huì)詳細(xì)介紹這個(gè)類加載器

驗(yàn)證

驗(yàn)證的主要作用就是確保被加載的類的正確性。也是連接階段的第一步。說(shuō)白了也就是我們加載好的.class文件不能對(duì)我們的虛擬機(jī)有危害，所以先檢測(cè)驗(yàn)證一下。他主要是完成四個(gè)階段的驗(yàn)證：

（1）文件格式的驗(yàn)證：驗(yàn)證.class文件字節(jié)流是否符合class文件的格式的規(guī)范，并且能夠被當(dāng)前版本的虛擬機(jī)處理。這里面主要對(duì)魔數(shù)、主版本號(hào)、常量池等等的校驗(yàn)（魔數(shù)、主版本號(hào)都是.class文件里面包含的數(shù)據(jù)信息、在這里可以不用理解）。

（2）元數(shù)據(jù)驗(yàn)證：主要是對(duì)字節(jié)碼描述的信息進(jìn)行語(yǔ)義分析，以保證其描述的信息符合java語(yǔ)言規(guī)范的要求，比如說(shuō)驗(yàn)證這個(gè)類是不是有父類，類中的字段方法是不是和父類沖突等等。

（3）字節(jié)碼驗(yàn)證：這是整個(gè)驗(yàn)證過(guò)程最復(fù)雜的階段，主要是通過(guò)數(shù)據(jù)流和控制流分析，確定程序語(yǔ)義是合法的、符合邏輯的。在元數(shù)據(jù)驗(yàn)證階段對(duì)數(shù)據(jù)類型做出驗(yàn)證后，這個(gè)階段主要對(duì)類的方法做出分析，保證類的方法在運(yùn)行時(shí)不會(huì)做出威海虛擬機(jī)安全的事。

（4）符號(hào)引用驗(yàn)證：它是驗(yàn)證的最后一個(gè)階段，發(fā)生在虛擬機(jī)將符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用的時(shí)候。主要是對(duì)類自身以外的信息進(jìn)行校驗(yàn)。目的是確保解析動(dòng)作能夠完成。

對(duì)整個(gè)類加載機(jī)制而言，驗(yàn)證階段是一個(gè)很重要但是非必需的階段，如果我們的代碼能夠確保沒有問(wèn)題，那么我們就沒有必要去驗(yàn)證，畢竟驗(yàn)證需要花費(fèi)一定的的時(shí)間。當(dāng)然我們可以使用-Xverfity:none來(lái)關(guān)閉大部分的驗(yàn)證。

準(zhǔn)備：

為類變量分配內(nèi)存，并將其初始化為默認(rèn)值。（此時(shí)為默認(rèn)值，在初始化的時(shí)候才會(huì)給變量賦值）即在方法區(qū)中分配這些變量所使用的內(nèi)存空間。例如

public static int value = 123;

此時(shí)在準(zhǔn)備階段過(guò)后的初始值為0而不是123；

特例：

public static final int value = 123;

此時(shí)value的值在準(zhǔn)備階段過(guò)后就是123。

解析：

解析階段將類中符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用。符號(hào)引用以一組符號(hào)來(lái)描述所引用的目標(biāo)，符號(hào)可以是任何形式的字面量，只要使用時(shí)能夠無(wú)歧義的定位到目標(biāo)即可。

初始化：

初始化階段是執(zhí)行類構(gòu)造器<client>方法的過(guò)程。<client>方法是由編譯器自動(dòng)收集類中的類變量的賦值操作和靜態(tài)語(yǔ)句塊中的語(yǔ)句合并而成的。虛擬機(jī)會(huì)保證<client>方法執(zhí)行之前，父類的<client>方法已經(jīng)執(zhí)行完畢。如果一個(gè)類中沒有對(duì)靜態(tài)變量賦值也沒有靜態(tài)語(yǔ)句塊，那么編譯器可以不為這個(gè)類生成<client>()方法。

java中，對(duì)于初始化階段，有且只有以下五種情況才會(huì)對(duì)要求類立刻“初始化”（加載，驗(yàn)證，準(zhǔn)備，自然需要在此之前開始）：

1 使用new關(guān)鍵字實(shí)例化對(duì)象、訪問(wèn)或者設(shè)置一個(gè)類的靜態(tài)字段（被final修飾、編譯器優(yōu)化時(shí)已經(jīng)放入常量池的例外）、調(diào)用類方法，都會(huì)初始化該靜態(tài)字段或者靜態(tài)方法所在的類。

2 初始化類的時(shí)候，如果其父類沒有被初始化過(guò)，則要先觸發(fā)其父類初始化。

3 使用java.lang.reflect包的方法進(jìn)行反射調(diào)用的時(shí)候，如果類沒有被初始化，則要先初始化。

4 虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，用戶會(huì)先初始化要執(zhí)行的主類（含有main）

5 jdk 1.7后，如果java.lang.invoke.MethodHandle的實(shí)例最后對(duì)應(yīng)的解析結(jié)果是 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic方法句柄，并且這個(gè)方法所在類沒有初始化，則先初始化。

JVM初始化步驟

1、假如這個(gè)類還沒有被加載和連接，則程序先加載并連接該類

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(yǔ)句，則系統(tǒng)依次執(zhí)行這些初始化語(yǔ)句

6.分析剛開始的問(wèn)題

第一種情況：

連接階段：為靜態(tài)變量賦值初始值，SingleTon=null,count1=0,count2=0

初始化階段：從上到下執(zhí)行賦值操作和靜態(tài)代碼塊

　　count1=0,count2=0創(chuàng)建對(duì)象后對(duì)兩個(gè)值進(jìn)行遞增結(jié)果count1=1,count2=1

第二種情況：

連接階段：為靜態(tài)變量賦值初始值，SingleTon=null,count1=0,count2=0

初始化階段：從上到下執(zhí)行賦值操作和靜態(tài)代碼塊

　　先創(chuàng)建對(duì)象后對(duì)兩個(gè)值進(jìn)行遞增count1=1,count2=1

　　再賦值count1沒變,count2=0

6.類加載器分類

· 啟動(dòng)類加載器（Bootstrap ClassLoader）：

啟動(dòng)類加載器負(fù)責(zé)加載存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安裝目錄，下同)下，或被-Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑中的類。

· 擴(kuò)展類加載器（ExtClassLoader）：

擴(kuò)展類加載器負(fù)責(zé)加載JDK\jre\lib\ext目錄中，或者由java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定的路徑中的所有類庫(kù)（如javax.*開頭的類）。

· 應(yīng)用類加載器（AppClassLoader）：

應(yīng)用類加載器負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（ClassPath）所指定的類，開發(fā)者可以直接使用該類加載器。

類加載器的職責(zé)：

· 全盤負(fù)責(zé)：

當(dāng)一個(gè)類加載器負(fù)責(zé)加載某個(gè)Class時(shí)，該Class所依賴的和引用的其他Class也將由該類加載器負(fù)責(zé)載入，除非顯式使用另外一個(gè)類加載器來(lái)載入。

· 父類委托：

類加載機(jī)制會(huì)先讓父類加載器試圖加載該類，只有在父類加載器無(wú)法加載該類時(shí)才嘗試從自己的類路徑中加載該類。

父類委托機(jī)制是為了防止內(nèi)存中出現(xiàn)多份同樣的字節(jié)碼，保證java程序安全穩(wěn)定運(yùn)行。

· 緩存機(jī)制：

緩存機(jī)制將會(huì)保證所有加載過(guò)的Class都會(huì)被緩存，當(dāng)程序中需要使用某個(gè)Class時(shí)，先從緩存區(qū)尋找該Class，只有緩存區(qū)不存在，系統(tǒng)才會(huì)讀取該類對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成Class對(duì)象，存入緩存區(qū)。這就是為什么修改了Class后，必須重啟JVM，程序的修改才會(huì)生效。

7.雙親委派模型

類加載器 Java 類如同其它的 Java 類一樣，也是要由類加載器來(lái)加載的；除了啟動(dòng)類加載器，每個(gè)類都有其父類加載器（父子關(guān)系由組合（不是繼承）來(lái)實(shí)現(xiàn)）；

所謂雙親委派是指每次收到類加載請(qǐng)求時(shí)，先將請(qǐng)求委派給父類加載器完成（所有加載請(qǐng)求最終會(huì)委派到頂層的Bootstrap ClassLoader加載器中），如果父類加載器無(wú)法完成這個(gè)加載（該加載器的

搜索范圍中沒有找到對(duì)應(yīng)的類），子類嘗試自己加載。