Java类的加载与初始化

近期在学习JVM（Java虚拟机）相关的内容，涉及到很多深层次理论基础，无论是新手还是工作几年的老手，可能只知其然不知其所以然，包括我也是这样的，经过此次学习后慢慢的理解了JVM是如何对一个类进行加载、初始化等的过程。

类的加载

在Java代码中，类的加载、连接与初始化过程都是在程序运行期间完成的。

1. 类的加载是指将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在内存中创建一个java.lang.Class对象（规范并未说明Class对象位于哪里，HotSpot虚拟机将其放在了方法区中）用来封装类在方法区内的数据结构。

2. 加载.class文件的方式

   • 从本地系统中直接加载；
   • 通过网络下载.class文件；
   • 从zip，jar等归档文件中加载.class文件；
   • 从专有数据库中提取.class文件；
   • 将Java源文件动态编译为.class文件。

3. 类的加载到初始化过程

   • 加载：就是把二进制形式的java类型读入到java虚拟机中；
   • 验证：确保被加载的类的正确性；
   • 准备：为类的变量分配内存，设置默认值，但在到达初始化之前，类的变量都没有初始化为真正的初始值；
   • 解析：就是在类型的常量池中寻找类、接口、字段和方法的符号引用，把这些符号引用替换成直接引用的过程；
   • 初始化：为类的变量赋予正确的初始值；

/**
 * @description 1、对于静态字段来说，只有直接定义了该字段的类才会初始化
 *               2、当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化完毕了
 *               3、-XX:+TraceClassLoading，用于追踪类的加载信息并打印出来
 *
 *               JVM参数设置说明：
 *               -XX:+<option>，表示开启option选项
 *               -XX:-<option>，表示关闭option选项
 *               -XX:<option>=<value>，表示将option选项的值设置为value
 * 
 * @date Created in 2018/2/4
 */
public class MyTest1 {
   public static void main(String[] args) {
      System.out.println(MyChild1.str);
   }
}
class MyParent1 {
   public static String str = "hello world";

   static {
      System.out.println("MyParent1 static block");
   }
}
class MyChild1 extends MyParent1 {

   public static String str2 = "welcome";

   static {
      System.out.println("MyChild static block");
   }
}

/**
 * @description 当一个常量的值并非编译期间可以确定的，那么其值就不会被放到调用类的常量池中，
 *                这时在程序运行时，会导致主动使用这个常量所在的类，显然会导致这个类被初始化
 * 
 * @date Created in 2018/3/25
 */
public class MyTest3 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(MyParent3.str);
    }
}

class MyParent3 {
    public static final String str = UUID.randomUUID().toString();

    static {
        System.out.println("MyParent3 static code");
    }
}

3. 类的实例化：

• 为新的对象分配内存；
• 为实例变量赋默认值；
• 为实例变更赋正确的初始值；
• java编译器为它编译的每一个类都至少生成一个实例初始化方法，在java的class文件中，这个实例初始化方法被称为“<init>”，针对源代码中每一个类的构造方法，java编译器都产生一个<init>方法。

类的验证

1. 类被加载后，就进入连接阶段，连接就是将已经读入到内存的类的二进制数据合并到虚拟机的运行时环境中去。
2. 类的验证的内容
   • 类文件的结构检查；
   • 语义检查；
   • 字节码验证；
   • 二进制兼容性的验证。

类的准备

在准备阶段，Java虚拟机为类的静态变量分配内存，并设置默认的初始值。如对于以下Sample类，在准备阶段，将为int类型的静态变量a分配4个字节的内存空间，并且赋予默认值0，为long类型的静态变量b分配8个字节的内存空间，并且赋予默认值0。

public class Sample {
    private static int a = 1;
    public static long b;
    
    static {
        b = 2;
    }
    ...
}

类的初始化

1. 在初始化阶段，Java虚拟机执行类的初始化语句，为类的静态变量赋予初始值。在程序中，静态变量的初始化有两种途径：
   • 在静态变量的声明处进行初始化；
   • 在静态代码块中进行初始化。如以下代码，静态变量a和b都被显式初始化，而静态变量c没有被显式初始化，它将保持默认值0。

public class Sample {
    private static int a = 1; // 在静态变量的声明处进行初始化
    public static long b;
    public static long c;
    
    static {
        b = 2; // 在静态代码块处进行初始化
    }
    ...
}

2. 静态变量的声明语句，以及静态代码块都被看做类的初始化语句，Java虚拟机会按照初始化语句在类文件中的先后顺序来依次执行它们。如当以下Sample类被初始化后，它的静态变量a的取值为4。

public class Sample {
    static int a = 1;
    static {
        a = 2;
    }
    static {
        a = 4;
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("a=" + a); // 输出a=4
    }
}

3. 类的初始化步骤
   • 假如这个类还没有被加载和连接，那就先进行加载和连接；
   • 假如类存在直接父类，并且这个父类还没有被初始化，那就先初始化直接父类；
   • 假如类中存在初始化语句，那就按顺序依次执行这些初始化语句。
4. 类的初始化时机

   • 主动使用（七种-重要）

     • 创建类的实例
     • 访问某个类或接口的静态变量，或对该静态变量赋值
     • 调用类的静态方法
     • 反射（如：Class.forName("com.test.Test")）
     • 初始化一个类的子类
     • Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（Java Test）

   • JDK1.7开始提供的动态语言支持：
     java.lang.invoke.MethodHandle实例的解析结果 REF_getStatic，REF_pubStatic，REF_invokeStatic句柄对应的类没有初始化，则去初始化；

   • 除了上述七种情形，其他使用Java类的方式都被看作是被动使用，不会导致类的初始化；

   • 当Java虚拟机初始化一个类时，要求它的所有父类都已经被初始化，但是这条规则并不适用于接口。

     • 在初始化一个类时，并不会先初始化它所实现的接口；
     • 在初始化一个接口时，并不会先初始化它的父接口。

     因此，一个父接口并不会因为它的子接口或实现类的初始化而初始化。只有当程序首次使用特定接口的静态变量时，才会导致该接口的初始化。

   • 只有当程序访问的静态变量或静态方法确实在当前类或当前接口中定义时，才可以认为是对类或接口的主动使用；

   • 调用ClassLoader类的loadClass方法加载一个类，并不是对类的主动使用，不会导致类的初始化。

类加载器

1. 类的加载的最终产品是位于内存中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口，有两种类型的类加载器：

• Java虚拟机自带的加载器
  • 根类加载器（Bootstrap）
  • 扩展类加载器（Extension）
  • 系统（应用）类加载器（System）
• 用户自定义的类加载器
  • java.lang.ClassLoader的子类
  • 用户可以定制类的加载方式

2. 类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError错误），如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。

3. 类加载器用来把类加载到Java虚拟机中，从JDK1.2版本开始，类的加载过程采用双（父）亲委托机制，这种机制能更好地保证Java平台的安全。在此委托机制中，除了Java虚拟机自带的根类加载器以外，其余的类加载器都有且只有一个父加载器，当Java程序请求加载器loader1加载Sample类时，loader1首先委托自己的父加载器去加载Sample类，若父加载器都加载，则由父加载器完成加载任务，否则才由加载器loader1本身加载Sample类。

4. Java虚拟机自带了以下几种加载器：

   • 根（Bootstrap）类加载器：该加载器没有父加载器。它负责加载虚拟机的核心类库，如java.lang.*等。如从例程10-4(Sample.java)可以看出，java.lang.Object就是由根类加载器加载的。根类加载器从系统属性sun.boot.class.path所指定的目录中加载类库。根类加载器的实现依赖于底层操作系统，属于虚拟机的实现的一部分，它并没有继承java.lang.ClassLoader类；
   • 扩展（Extension）类加载器：它的父加载器为根类加载器。它从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK的安装目录的jre\lib\ext子目录（扩展目录）下加载类库，如把用户创建的JAR文件放在这个目录下，也会自动由扩展类加载器加载，扩展类加载器是纯Java类，是java.lang.ClassLoader类的子类；
   • 系统（System）类加载器：也称应用类加载器，它的父加载器为扩展类加载器，它从环境变量classpath或系统属性java.class.path所指定的目录中加载类，它是用户自定义的类加载器的默认父加载器，系统类加载器是纯Java类，是java.lang.ClassLoader类的子类；
   • 除了以上虚拟机构自带的加载器外，用户还可以定制自己的类加载器。Java提供了抽象类java.lang.ClassLoader，所有用户自定义的类加载器都应该继承ClassLoader类。

今天先写到这里，下次再继续......