Java 类加载

从一个诡异的问题说起

测试案例一：

package ecut.classloader;

public class Sun {
    
    protected static int a = 100 ;
    protected static int b  ;
    
    protected static Sun instance = new Sun() ;
    
    public Sun() {
        a++ ;
        b++ ;
    }
    
}

package ecut.classloader;

public class SunTest {

    @SuppressWarnings("unused")
    public static void main(String[] args) {
        
        Sun s = Sun.instance;
        
        System.out.println( Sun.a );
        System.out.println( Sun.b );

    }

}

运行结果如下：

101
1

测试案例二：

package ecut.classloader;

public class Moon {
    
    protected static Moon instance = new Moon() ;
    
    protected static int a = 100 ;
    protected static int b  ;
    
    public Moon() {
        a++ ;
        b++ ;
    }
    
}

package ecut.classloader;

public class MoonTest {

    @SuppressWarnings("unused")
    public static void main(String[] args) {
        
        Moon s = Moon.instance;
        
        System.out.println( Moon.a );
        System.out.println( Moon.b );

    }

}

运行结果如下：

100
1

 类的生命周期

1、 JVM 的生命周期 ( 在线程部分 ) ：当一个 Java 程序执行时，将启动一个 JVM 进程 ，当程序执行结束或抛出异常时 JVM 退出。

2、对象的声明周期： 当使用 new 关键字 创建一个类的实例时，一个对象(实例)的生命周期即宣告开始

　　　　　　Student s = new Student();  // 将导致创建一个Student实例并对该实例中的实例属性进行初始化
                       
                       实例属性的初始化:
                       
                           private int  id = 0 ;
                           
                           private String studentNo ;
                           
                           {
                               studentNo = "ECUT-00000000" ;
                           }
                           
                           private String name ;
                           
                           public Student( String name ){
                               this.name = name ;
                           }
               
使用对象 ( 使用对象的 属性 、方法 等 )
当某个对象不再被任何一个引用变量所引用时，它可能会被GC回收，如果被回收，它的生命周期将宣告结束

3、类的生命周期

java.lang.Object 是整个 Java 类继承体系的根类

•  java.lang.Class 类 也继承了 Object 类

java.lang.Class 类的实例表示正在运行的 Java 应用程序中的类和接口

• java.lang.Object.class 表示正在运行的 Java 程序中的 那个 Object 类 对应的 Class 类型的对象
• Java语言中万事万物都可以当作对象来对待，即使是一个类，也可以当对对象对待。

类的加载

• 将 字节码文件( .class ) 读入到 JVM 所管理的内存中
• 将 字节码文件对应的类的数据结构 保存在方法区
• 最后生成一个与该类对应的 java.lang.Class 类型的对象 ( 在堆区 )

类的链接

• 连接是把已读入到内存的类的二进制数据合并到Java运行时环境(JRE)中去。
• 连接又分为三个阶段：验证、准备、解析。
• 验证:验保证类有正确的内部结构，并且与其它类协调一致如果JVM 检查到错误，就会抛出Error 对象。

　　　　类文件的结构检查: 确保文件遵循Java 文件的固定格式
　　　　语义检查: 确保类本身符合Java 语言的语法规定
　　　　字节码验证: 确保字节码流可以被JVM 安全地执行
　　　　　　» 字节码流代表Java 方法(含静态和非静态)，它是被称作操作码的单字节指令组成的序列，每个操作码后都跟着一个或多个操作数
　　　　　　» 字节码验证会检查每个操作码是否合法，即是否有合法的操作数二进制兼容的验证: 确保相互引用的类之间协调一致
　　　　　　» 比如A 类中调用B 类的b() 方法，检查B 中是否有b() 方法存在

• 准备:  在准备阶段，JVM 为类的静态变量分配内存，并设置默认值（byte 、short 、int 默认值都是 0，long 默认值是 0L，float 默认值是 0.0F，double 默认值是 0.0，boolean 默认值是 false，char 默认值是 \u0000，  引用类型的默认值是 null）。
• 解析: 将符号引用解析为直接引用

类的初始化

• 初始化阶段，JVM执行类的初始化语句，为静态变量赋予初始值
• 静态变量的初始化途径：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
• 初始化代码可能是(声明变量时的赋值语句): protected static int a = 100 ;也可以是(静态代码块):

　　   static {

　　　　a = 10000 ;
           }

• 类初始化的一般步骤

　　　　如果该类还没有被加载和连接，那么先加载和连接该类
　　　　如果该类存在直接父类，但该父类还未初始化，则先初始化其直接父类
　　　　如果该类中存在初始化语句，则依次执行这些初始化语句

• 类的初始化时机

　　　　JVM 只有在首次主动使用某个类或接口时才会初始化它
　　　　被动使用不会导致本类的初始化

诡异的问题 解析测试案例：

package ecut.classloader;

public class Sun {
    
    protected static int a = 100 ;//链接(准备):0//初始化: a:100
    protected static int b  ;//链接(准备):0//初始化: b:0
    
    protected static Sun instance = new Sun() ;//链接(准备):null//初始化: a:101  b:1    
    
    public Sun() {
        a++ ;
        b++ ;
    }
    
}

package ecut.classloader;

public class Moon {
    
    protected static Moon instance = new Moon() ;//链接(准备):null//初始化: a:1  b:1
    
    protected static int a = 100 ;//链接(准备):0//初始化: a:100
    protected static int b  ;//链接(准备):0//初始化: b:1
    
    public Moon() {
        a++ ;
        b++ ;
    }
    
}

类的使用

•     主动使用 会导致 类被初始化

　　　　a>、创建类的实例 ( new 、反射、反序列化 、克隆 )
　　　　b>、调用类的静态方法
　　　　c>、访问类 或 接口的 静态属性 ( 非常量属性 )  ( 取值 或 赋值 都算 )
　　　　　　访问类 或 接口 的 非编译时常量，也将导致类被初始化:
                      public static final long time = System.currentTimeMillis();
　　　　d>、调用反射中的某个些方法，比如 Class.forName( "edu.ecut.Student" );
　　　　e>、初始化某个类时，如果该类有父类，那么父类将也被初始化
　　　　f>、被标记为启动类的那些类(main)

• 被动使用 不会导致类被初始化

　　　　a>、程序中对编译时常量的使用视作对类的被动使用
　　　　　    对于final 修饰的变量，如果编译时就能确定其取值，即被看作编译时常量
　　　　　　　　» 编译时常量如: public static final int a = 2 * 3 ;
　　　　　　　　» JVM 的加载和连接阶段，不会在方法区内为某个类的编译时常量分配内存

　　　　　　对于final 修饰的变量，如果编译时就不能确定其取值，则不被看作编译时常量
　　　　　　　　» 非编译时常量如: public static final long time = System.currentTimeMillis() ;
　　　　　　　　» 使用该类型的静态变量将导致当前类被初始化( 主动使用)
　　　　b>、JVM初始化某个类时，要求其所有父类都已经被初始化，但是 该规则不适用 于 接口 类型
　　　　　　一个接口不会因为其子接口或实现类的初始化而初始化，除非使用了该接口的静态属性
　　　　c>、只有当程序访问的静态变量或静态方法的确在当前类或接口定义时，
                      才能看作是对类或接口的主动使用:
　　　　　　比如使用了 Sub.method() ，而 method() 是继承自 Base ，则只初始化 Base 类
　　　   d>、调用 ClassLoader 的 loadClass( ) 加载一个类，不属于对类的主动使用

主动使用和被动使用测试案例一：

package ecut.classloader;

public class Panda {
    
    // 编译时常量(对于final 修饰的变量，如果编译时就能确定其取值，即被看作编译时常量)
    public static final String HOMETOWN = "中国" ;
    
    // 非编译时常量(对于final 修饰的变量，如果编译时就不能确定其取值，则不被看作编译时常量)
    public static final long time = System.currentTimeMillis();

    public static int a ;
    
    static {
        System.out.println( "static code , a = " + a  );
         a = 100 ;
         System.out.println( "static code , a = " + a  );
    }
}

package ecut.classloader;

public class PandaTest {

    public static void main(String[] args) {
        
        System.out.println( Panda.HOMETOWN ); // 编译时常量被动使用
        
        //System.out.println( Panda.a ); // 访问静态变量(不是常量) 主动使用
        //使用该类型的静态变量将导致当前类被初始化( 主动使用)
        System.out.println( Panda.time );//非编译时常量主动使用，静态代码块只执行一次因为初始化操作只执行一次
        
        System.out.println( Panda.time );//只有第一次使用才完成初始化操作，所以值是固定的不变的

    }

}

运行结果如下：

中国
static code , a = 0
static code , a = 100
1522485492485
1522485492485

主动使用和被动使用测试案例二：

package ecut.classloader;

public class InitTest {
    public static void main(String[] args) {
        //比如使用了 Child.hometown ，而 hometown是继承自 Father ，则只初始化 Father 类
        //System.out.println(Child.hometown);
        //初始化某个类时，如果该类有父类，那么父类将也被初始化
        //System.out.println(Child.name);
        //new Father();
        //new Father();
        new Child();
        new Child();
    }
}

class Father {
    protected static String hometown ;
    static{
        System.out.println( "Father : static code block." );
        hometown = "Sinaean" ;
    }//new Fater()时静态代码块最先执行，只执行一次
    { System.out.println( "Father : non-static code block." );}//每一次new Fater()都执行，仅此静态代码块执行
    public Father(){
        System.out.println( "Father construction." );
    }//每一次new Fater()都执行，最后执行
}

class Child extends Father {
    protected static String name ;
    static{
        System.out.println( "Child : static code block." );
        name = "Child" ;
    }
    { System.out.println( "Child : non-static code block." );}
    public Child(){
        System.out.println( "Child construction." );
    }
}

运行结果如下：

Father : static code block.
Child : static code block.
Father : non-static code block.
Father construction.
Child : non-static code block.
Child construction.
Father : non-static code block.
Father construction.
Child : non-static code block.
Child construction.

类的卸载：当一个类不再被任何对象所使用时，JVM会卸载该类。

 类加载器

1、类加载器用来把类加载到JVM 中

从JDK 1.2 版本开始，类的加载过程采用父亲委托机制

• 设loader 要加载A 类，则loader 首先委托自己的父加载器去加载A 类，如果父加载器能加载A 类则由父加载器加载，否则才由loader 本身来加载A类。
• 这种机制能更好地保证Java 平台的安全性

父亲委托机制中，每个类加载器都有且只有一个父加载器，除了JVM 自带的根类加载器( Bootstrap Loader )

2、JVM 的三种主要类加载机制

全盘负责

• 当一个类加载器负责加载某个类时，该类所依赖和引用的其它类也将由当前的类加载器负责载入，除非显式使用了另外一个类加载器来载入

父类委托

• 先让父加载器加载某个类，只有父加载器无法加载该类时子加载器才加载
• 当需要加载某个类时，加载这个类的类加载器会将加载操作委托给父加载器
• JVM 提供了 根 加载器 : Bootstrap Loader ,它 是 JVM 的一个组成部分 ( 由JVM的实现着实现 )

缓存机制

• 使用缓存把所有的被加载过的类缓存起来，当程序中需要用到某个类时，类加载器先从缓存中搜寻该类，如果缓存中不存在该类，系统将读取该类对应的二进制数据并转换成Class 对象并存入cache 中
• 这正是修改源文件后只有重启一个JVM 才能看到修改后的执行效果的原因

3、JVM 自带的类加载器

根类加载器(BootstrapLoader)

• 负责加载虚拟机的核心类库，比如java.lang.* 等
• 从系统属性sun.boot.class.path 所指定的目录中加载类库
• 该加载器没有父加载器，它属于JVM 的实现的一部分(用C++实现)

扩展类加载器(ExtClassLoader)

• 其父加载器为BootstrapLoader 类的一个实例
• 该加载器负责从java.ext.dirs 系统属性所指定的目录中加载类库或者从JDK_HOME/jre/lib/ext 目录中加载类库
• 该加载器对应的类是纯Java 类，其父类是java.lang.ClassLoader

系统类加载器(AppClassLoader)

• 也称作应用类加载器，其父加载器默认为ExtClassLoader 类的一个实例
• 负责从CLASSPATH 或系统属性java.class.path 所指定的目录中加载类库
• 它是用户自定义类加载器的默认父加载器
• 其父类也是java.lang.ClassLoader

ClassLoader测试案例一：

package ecut.classloader;

import java.util.ArrayList;

public class ClassLoaderTest1 {

    public static void main(String[] args) {

        Class c = String.class; // java.lang.String
        ClassLoader loader = c.getClassLoader();
        System.out.println(loader); // null ( Bootstrap Loader )

        Object o = new ArrayList<>(); // java.util.ArrayList

        c = o.getClass();
        loader = c.getClassLoader();
        System.out.println(loader); // null ( Bootstrap Loader )
        
        c = ClassLoaderTest1.class;
        loader = c.getClassLoader(); // 获得 ClassLoaderTest1 这个类的类加载器
        System.out.println(loader); // AppClassLoader
        
        // 获得 loader 这个 "类加载器" 的 父加载器
        ClassLoader parent = loader.getParent();
        System.out.println(parent); // ExtClassLoader
        
        ClassLoader root = parent.getParent();
        System.out.println( root ); // null ( Bootstrap Loader )

    }

}

运行结果如下：

null
null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@15db9742
nul

4、类加载器的层次

注意这里的层次关系不是类与类的继承关系

各层次的类加载器加载的类

ClassLoader测试案例二：

package ecut.classloader;

import java.util.Iterator;
import java.util.Properties;
import java.util.Set;

public class ClassLoaderTest2 {

    public static void main(String[] args) {

        Properties props = System.getProperties();
        System.out.println(props);
        System.out.println("~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~");

        Set