Java基础篇--加载过程
这是博主在毕业前做的有关Java基础知识的整理,因为马上就要找工作了,所以决定把网上搜到的,书上看到的笔记整理一下.在博文中涉及到很多其他博主的有关内容,首先在这里要感谢那些原创作者,为我提供了很多帮助,其次因为很多东西都是东凑西摘的,很多东西找不到原处了,所以原博主如果看到觉得我侵害到了您的权益,第一时间通知我,确认后我会删博,尊重原创,支持原创!
这是第一篇博文主要是介绍了关于.java文件编译,加载,执行的整个过程,当然只是最表面的知识,晒出来一是梳理自己的思路,二呢也是要接受广大博友的检验,看看自己哪里理解错了.
part1 Java语言看不懂,先翻译下吧
一个类在我们写好之后,肯定无法直接使用的,因为计算机不认识除机器码以外的语言,所以需要先进行编译,就是翻译环节.你看,对于C/C++/汇编等语言,人家是直接将语言翻译成机器语言的(这种机器目标语言就是CPU直接执行的指令集合),所以很快...但是Java为了实现不依赖机器,平台,系统的制约,所以就先翻译成jvm能够识别的二进制语言,然后再由jvm负责,并将其经过二次加工最终翻译成机器语言...
我们都知道写好一个Java类后是由javac编译器来进行编译的.在编译的过程中需要经过以下几个步骤:
在<<编译原理>>中对编译过程的总结概述:
1）词法分析：读取源代码，一个字节一个字节的读进来，找出这些词法中我们定义的语言关键词如：if、else、while等，识别哪些if是合法的哪些是不合法的。这个步骤就是词法分析过程。词法分析的结果：就是从源代码中找出了一些规范化的token流，就像人类语言中，给你一句话你要分辨出哪些是一个词语，哪些是标点符号，哪些是动词，哪些是名词。
2）语法分析：就是对词法分析中得到的token流进行语法分析，这一步就是检查这些关键词组合在一起是不是符合Java语言规范。如if的后面是不是紧跟着一个布尔型判断表达式。语法分析的结果：就是形成一个符合Java语言规定的抽象语法树，抽象语法树是一个结构化的语法表达形式，它的作用是把语言的主要词法用一个结构化的形式组织在一起。这棵语法树可以被后面按照新的规则再重新组织。
3）语义分析：语法分析完成之后也就不存在语法问题了，语义分析的主要工作就是把一些难懂的，复杂的语法转化成更简单的语法。就如难懂的文言文转化为大家都懂的百话文，或者是注释一下一些不懂的成语。语义分析结果：就是将复杂的语法转化为简单的语法，对应到Java就是将foreach转化为for循环，还有一些注释等。最后生成一棵抽象的语法树，这棵语法树也就更接近目标语言的语法规则。
4）字节码生成：将会根据经过注释的抽象语法树生成字节码，将一个数据结构转化为另外一个数据结构。将所有的中文词语翻译成英文单词后按照英文语法组装文英文语句。代码生成器的结果就是生成符合java虚拟机规范的字节码。
从上面的描述中我们知道编译就是将一种语言通过分析分解，再按照一定的方式先形成一个简单的框架（将Java源文件的字节流转化为对应的token流）然后再通过详细的分析按照一定的规定在这个框架里添加东西使这个token流形成更加结构化的语法树（就是将前面生成的token流中的一个个单词组装成一句话），但是这棵树离我们的目标—Java字节码还有点差距，所以再进行语义分析使那颗粗糙的树更加完整完善（给类添加默认的构造函数，检查变量在使用前有没有初始化，检查操作变量类型是否匹配），然后javac编译器调用com.sun.tools.javac.jvm.Gen类遍历这棵语法树将java方法中的代码块转换成符合JVM语法的命令形式的二进制数据。按照JVM的文件组织格式将字节码输出到以class为扩展名的文件中，也就是生成最终的java字节码。
词法分析就是将关键词组织成token流即检查源码中的的关键词是否真确并组织成token流，而语法分析就是检查源码是否符合java语法规范并将词组成语句。语义分析就是简化复杂的添加缺少的，检查变量类型是否合法。代码生成器就是遍历这棵树生成符合JVM规范的代码。就这样.Java文件完成了到.class的转变.
Part2 面试官:请你谈谈Java类的加载过程 - _ -
点题: 类加载过程即是指JVM虚拟机把.class文件中类信息加载进内存，并进行解析生成对应的class对象的过程.
详细阐述:
举个通俗点的例子来说，JVM在执行某段代码时，遇到了class A， 然而此时内存中并没有class A的相关信息，于是JVM就会到相应的class文件中去寻找class A的类信息，并加载进内存中，这就是我们所说的类加载过程。由此可见，JVM不是一开始就把所有的类都加载进内存中，而是只有第一次遇到某个需要运行的类时才会加载，且只加载一次。这就说明类的加载是在Java程序运行过程中进行的.
想一想,为什么要这么做?
- 编写一个面向接口的应用程序，可能等到运行时再指定其实现的子类；
- 用户可以自定义一个类加载器，让程序在运行时从网络或其他地方加载一个二进制流作为程序代码的一部分；(这个是Android插件化，动态安装更新apk的基础)
在类加载的过程中一般分为三个部分: 加载(装载)-->链接-->初始化;而链接又可以分为三个小的部分:验证-->准备-->解析. 下面一个一个来说明:
装载:
该阶段的加载又经常被说成装载,为了区分整个加载运行机制,这里就写为装载.简单来说，装载指的是把class字节码文件从各个来源通过类加载器装载入内存中。这里有两个重点：
- 字节码来源。一般的加载来源包括从本地路径下编译生成的.class文件，从jar包中的.class文件，从远程网络，以及动态代理实时编译
- 类加载器。一般包括启动类加载器/根加载器，扩展类加载器，应用类加载器，以及用户的自定义类加载器。
注1:什么是类加载器?---这是一个很重要的概念(面试常问)
放在附录1里详细介绍
注2：为什么会有自定义类加载器？(面试也会问到)
- 一方面是由于java代码很容易被反编译，如果需要对自己的代码加密的话，可以对编译后的代码进行加密，然后再通过实现自己的自定义类加载器进行解密，最后再加载。
- 另一方面也有可能从非标准的来源加载代码，比如从网络来源，那就需要自己实现一个类加载器，从指定源进行加载。
注3: 装载目标
- 通过“类全名”来获取定义此类的二进制字节流
- 将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构
- 在java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口
注4: 双亲委托模型，约定类加载器的加载机制
当一个类加载器接收到一个类加载的任务时，不会立即展开加载，而是将加载任务委托给它的父类加载器去执行，每一层的类都采用相同的方式，直至委托给最顶层的启动类加载器为止。如果父类加载器无法加载委托给它的类，便将类的加载任务退回给下一级类加载器去执行加载。
双亲委托模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委托给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需要加载的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。
使用双亲委托机制的好处是：能够有效确保一个类的全局唯一性，当程序中出现多个限定名相同的类时，类加载器在执行加载时，始终只会加载其中的某一个类。
使用双亲委托模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委托给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种加载器环境中都是同一个类。相反，如果没有使用双亲委托模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个称为java.lang.Object的类，并放在程序的ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。如果自己去编写一个与rt.jar类库中已有类重名的Java类，将会发现可以正常编译，但永远无法被加载运行。
双亲委托模型对于保证Java程序的稳定运作很重要，但它的实现却非常简单，实现双亲委托的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中，逻辑清晰易懂：先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载器加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass方法进行加载。
总结:
加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，方法区中的数据存储格式有虚拟机实现自行定义，虚拟机并未规定此区域的具体数据结构。然后在java堆中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。
链接
1)验证
主要是为了保证加载进来的字节流符合虚拟机规范，不会造成安全错误。
- 包括对于文件格式的验证，比如常量中是否有不被支持的常量？文件中是否有不规范的或者附加的其他信息？
- 对于元数据的验证，比如该类是否继承了被final修饰的类？类中的字段，方法是否与父类冲突？是否出现了不合理的重载？
- 对于字节码的验证，保证程序语义的合理性，比如要保证类型转换的合理性。
- 对于符号引用的验证，比如校验符号引用中通过全限定名是否能够找到对应的类？校验符号引用中的访问性（private，public）是否可被当前类访问？
2)准备
主要是为类变量/静态变量分配内存，并且赋予初值。(此时尚未被初始化)
注意1: 初值，不是代码中具体写的初始化的值，而是Java虚拟机根据不同变量类型的默认初始值。比如8种基本类型的初值，默认为0；引用类型的初值则为null；常量的初值即为代码中设置的值，final static tmp = 456， 那么该阶段tmp的初值就是456
注意2: 不是实例变量,因为此时还没有实例对象,所以是静态变量.
注意3: 不初始化静态代码块.
3)解析
将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。
两个重点：
- 符号引用。即一个字符串，但是这个字符串给出了一些能够唯一性识别一个方法，一个变量，一个类的相关信息。
- 直接引用。可以理解为一个内存地址，或者一个偏移量。比如类方法，类变量的直接引用是指向方法区的指针；而实例方法，实例变量的直接引用则是从实例的头指针开始算起到这个实例变量位置的偏移量.
初始化
在了解初始化之前先要了解几个概念:
概念1:静态类型和动态类型
静态类型语言中，变量具有类型，而且在编译期确定，具有某一类型的变量只能持有相同类型的数据。动态类型语言中，变量没有类型，只有数据有类型，变量可以持有任意类型的数据。例如，C是静态类型语言，一个int型变量只能作为int来处理。Python是动态语言，变量可以持有整数、字符串、列表、闭包等任何数据。
Java通常被认为是静态语言，然而准确来说并非如此。Java的变量有类型，但是变量可以持有子类型的数据，例如Animal变量可以持有Cat或者Dog，具体是什么类型，是由运行时的数据决定的。这显然是动态语言的特性。极端的情况，Java中Object类型的变量，可以持有任意数据，因为任意类型都是Object的子类。如果所有的变量和函数参数都声明为Object类型，恐怕Java就可以作为动态语言使用了。所以，Java并非纯粹的静态类型语言，它打破了两者的界限。之所以这样做，是为了在静态语言中增加动态特性。静态语言严谨，容易检查和优化，但是灵活性不足，尤其是在大型软件、需求多变的情况下，一个很小的改变往往需要修改多处代码。动态语言灵活，但是由于缺少类型信息，前期不容易查错，也不容易优化。Java的这种融合是一个很好的做法，它给出了部分类型信息，可以用于编译期的检查和优化；而剩下的类型信息则推迟到执行期决定，提供了动态性。
推广到一般情况，静态语言和动态语言之间并不是非此即彼，而是一个过渡带。如果代码中没有给出变量的任何类型信息，那么这是纯粹的动态语言。这种情况下，可以认为所有的变量都是Object类型。如果代码中能够给出变量的一些类型信息（这些类型显然都是Object的派生类），那么语言就具有了静态性。代码中给出的类型越抽象，信息越少（抽象到极点就是Object）；类型越具体，信息越多，编译器就能够对代码进行更详细的检查和更好的优化。如果代码中完全给出了变量的类型信息，这就是纯粹的静态语言。设想有一种语言，不局限于动态或者静态类型，而是能够根据代码中给出的类型的抽象或者具体程度，进行编译和执行。这样的语言应当能够更好的结合动态语言的灵活性和静态语言的严谨性，并且能够根据具体的代码适应性的在二者之间进行调整。
概念2: 静态变量 成员变量 以及局部变量
详情见附录3；
初始化本来就是一件很简单的事情，但是java作为一门面向对象语言，由于具有继承、多态，静态、动态绑定等多种特性，所以其初始化的情景可谓是五花八门.
在初始化的过程中有几个原则,从大的原则上来说:优先级逐级递
1 静态块优先
程序首先会执行静态块的内容.我们都知道静态类型是和类绑定的而不是和具体实例对象绑定。这个特点决定了其在编译的阶段就已经分配好了固定的空间。(印证了准备阶段的工作).
2 父类优先
由于继承的特性，当导出类（子类）的对象被创建的时候，程序将向上追溯到最初的父类，执行其初始化的操作。然后依次向下调用子类的构造函数。按照这个思路，那么每一个实例第一个要初始化的必定是Object类了。
3 成员变量优先
一定要注意，成员变量(在类体中定义的变量为成员变量，作用范围（scope）是整个类)按照其声明的顺序会被初始化.
4 最后就是调用类的构造方法了。
由于其面向对象的特性给初始化带来很多情景,那么对于初始化来说,成员变量中的静态变量和实例变量的初始化时机以及顺序就需要仔细考虑了.
1:静态变量的初始化时机以及顺序
静态变量在准备阶段已经被分配内存并且赋予了默认初始值,但是我们看到有特例那就是被final修饰的静态变量,这个东西其实在准备阶段就已经初始化完成并放入了常量池中了,嗯,严格上说,他已经不是变量而是常量了.所以我们将特例提取出来之后,再考虑非final修饰的静态变量.
时机:(以下均假设为该变量尚未初始化;另一点说明了类的初始化并不是随着加载而进行的,而是在用到的时候才会被初始化.)
- 访问该类中没有被final修饰的类变量时；
- 设置该类中没有被final修饰的类变量时；
- 调用该类的static方法。
- 反射（Class.forName(xxx.xxx.xxx)）
- 初始化一个类的子类（相当于对父类的主动使用）
- Java虚拟机被标明为启动类的类（包含main方法的）
顺序: (类变量初始化会遵循以下三个原则)
- 在上述时机下，首先会初始化该类中所有没有被final修饰的类变量，然后再执行对应的操作；
- 按照代码中的顺序依次执行static变量定义语句和static代码块(就是谁在前先执行谁)
- 如果该类有父类且父类的类变量没有初始化，则先初始化父类的类变量；
- 如果父类还有父类的话，根据（3）的规则，以此类推。
2: 实例变量初始化时机和顺序
- 时机: (实例变量初始化是在创建该类的对象时进行的，初始化时遵循的原则是)
- 按照代码中的顺序依次执行实例变量定义语句和实例变量代码块；
- 如果创建该类的对象时该类的类变量尚未初始化，则先初始化类变量，再初始化实例变量；
- 如果该类有父类的话，则先创建一个父类对象；并且，如果父类类变量没被初始化时，先初始化父类的类变量，再初始化父类的 实例变量，再调用父类的默认构造器；
- 如果父类还有父类的话，根据（3）的规则以此类推，一直到根基类。
- 根据上述原则易知，实例变量初始化之前可能会先初始化类变量（这是特别需要留意的一点）。
总结: 这是在有继承关系,有静态变量,有实例变量下的new一个子类时的执行顺序:
- 执行父类静态代码块+静态变量初识化
- 执行子类静态代码块+静态变量初始化
- 初始化父类实例变量
- 初始化父类构造函数
- 初始化子类实例变量
- 初始化子类构造函数
第一次写,用不惯这个编辑器...
附录1 有关类加载器的详细介绍
类加载器是 Java 语言的一个创新，也是 Java 语言流行的重要原因之一。它使得 Java 类可以被动态加载到 Java 虚拟机中并执行。类加载器从 JDK 1.0 就出现了，最初是为了满足 Java Applet 的需要而开发出来的。Java Applet 需要从远程下载 Java 类文件到浏览器中并执行。现在类加载器在 Web 容器和 OSGi 中得到了广泛的使用。一般来说，Java 应用的开发人员不需要直接同类加载器进行交互。Java 虚拟机默认的行为就已经足够满足大多数情况的需求了。不过如果遇到了需要与类加载器进行交互的情况，而对类加载器的机制又不是很了解的话，就很容易花大量的时间去调试 ClassNotFoundException和 NoClassDefFoundError等异常。本文将详细介绍 Java 的类加载器，帮助读者深刻理解 Java 语言中的这个重要概念。下面首先介绍一些相关的基本概念。
类加载器基本概念
顾名思义，类加载器（class loader）用来加载 Java 类到 Java 虚拟机中。一般来说，Java 虚拟机使用 Java 类的方式如下：Java 源程序（.java 文件）在经过 Java 编译器编译之后就被转换成 Java 字节代码（.class 文件）。类加载器负责读取 Java 字节代码，并转换成 java.lang.Class类的一个实例。每个这样的实例用来表示一个 Java 类。通过此实例的 newInstance()方法就可以创建出该类的一个对象。实际的情况可能更加复杂，比如 Java 字节代码可能是通过工具动态生成的，也可能是通过网络下载的。
基本上所有的类加载器都是 java.lang.ClassLoader类的一个实例。下面详细介绍这个 Java 类。
java.lang.ClassLoader类介绍
java.lang.ClassLoader类的基本职责就是根据一个指定的类的名称，找到或者生成其对应的字节代码，然后从这些字节代码中定义出一个 Java 类，即 java.lang.Class类的一个实例。除此之外，ClassLoader还负责加载 Java 应用所需的资源，如图像文件和配置文件等。不过本文只讨论其加载类的功能。为了完成加载类的这个职责，ClassLoader提供了一系列的方法，比较重要的方法如 表 1所示。关于这些方法的细节会在下面进行介绍。
表 1. ClassLoader 中与加载类相关的方法
| 方法 |
说明 |
| getParent() |
返回该类加载器的父类加载器。 |
| loadClass(String name) |
加载名称为 name的类，返回的结果是 java.lang.Class类的实例。 |
| findClass(String name) |
查找名称为 name的类，返回的结果是 java.lang.Class类的实例。 |
| findLoadedClass(String name) |
查找名称为 name的已经被加载过的类，返回的结果是 java.lang.Class类的实例。 |
| defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) |
把字节数组 b中的内容转换成 Java 类，返回的结果是 java.lang.Class类的实例。这个方法被声明为 final的。 |
| resolveClass(Class c) |
链接指定的 Java 类。 |
对于 表 1中给出的方法，表示类名称的 name参数的值是类的二进制名称。需要注意的是内部类的表示，如 com.example.Sample$1和 com.example.Sample$Inner等表示方式。这些方法会在下面介绍类加载器的工作机制时，做进一步的说明。下面介绍类加载器的树状组织结构。
类加载器的树状组织结构
Java 中的类加载器大致可以分成两类，一类是系统提供的，另外一类则是由 Java 应用开发人员编写的。系统提供的类加载器主要有下面三个：
- 引导类加载器（bootstrap class loader）：它用来加载 Java 的核心库，是用原生代码来实现的，并不继承自 java.lang.ClassLoader。
- 扩展类加载器（extensions class loader）：它用来加载 Java 的扩展库。Java 虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。该类加载器在此目录里面查找并加载 Java 类。
- 系统类加载器（system class loader）：它根据 Java 应用的类路径（CLASSPATH）来加载 Java 类。一般来说，Java 应用的类都是由它来完成加载的。可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它。
除了系统提供的类加载器以外，开发人员可以通过继承 java.lang.ClassLoader类的方式实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求。
除了引导类加载器之外，所有的类加载器都有一个父类加载器。通过 表 1中给出的 getParent()方法可以得到。对于系统提供的类加载器来说，系统类加载器的父类加载器是扩展类加载器，而扩展类加载器的父类加载器是引导类加载器；对于开发人员编写的类加载器来说，其父类加载器是加载此类加载器 Java 类的类加载器。因为类加载器 Java 类如同其它的 Java 类一样，也是要由类加载器来加载的。一般来说，开发人员编写的类加载器的父类加载器是系统类加载器。类加载器通过这种方式组织起来，形成树状结构。树的根节点就是引导类加载器。图 1中给出了一个典型的类加载器树状组织结构示意图，其中的箭头指向的是父类加载器。
图 1. 类加载器树状组织结构示意图
代码清单 1演示了类加载器的树状组织结构。
清单 1. 演示类加载器的树状组织结构
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public class ClassLoaderTree {
public static void main(String[] args) { ClassLoader loader = ClassLoaderTree.class.getClassLoader(); while (loader != null) { System.out.println(loader.toString()); loader = loader.getParent(); } } } |
每个 Java 类都维护着一个指向定义它的类加载器的引用，通过 getClassLoader()方法就可以获取到此引用。代码清单 1中通过递归调用 getParent()方法来输出全部的父类加载器。代码清单 1的运行结果如 代码清单 2所示。
清单 2. 演示类加载器的树状组织结构的运行结果
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sun.misc.Launcher$AppClassLoader@9304b1 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@190d11 |
如 代码清单 2所示，第一个输出的是 ClassLoaderTree类的类加载器，即系统类加载器。它是 sun.misc.Launcher$AppClassLoader类的实例；第二个输出的是扩展类加载器，是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类的实例。需要注意的是这里并没有输出引导类加载器，这是由于有些 JDK 的实现对于父类加载器是引导类加载器的情况，getParent()方法返回 null。
在了解了类加载器的树状组织结构之后，下面介绍类加载器的代理模式。
类加载器的代理模式
类加载器在尝试自己去查找某个类的字节代码并定义它时，会先代理给其父类加载器，由父类加载器先去尝试加载这个类，依次类推。在介绍代理模式背后的动机之前，首先需要说明一下 Java 虚拟机是如何判定两个 Java 类是相同的。Java 虚拟机不仅要看类的全名是否相同，还要看加载此类的类加载器是否一样。只有两者都相同的情况，才认为两个类是相同的。即便是同样的字节代码，被不同的类加载器加载之后所得到的类，也是不同的。比如一个 Java 类 com.example.Sample，编译之后生成了字节代码文件 Sample.class。两个不同的类加载器 ClassLoaderA和 ClassLoaderB分别读取了这个 Sample.class文件，并定义出两个 java.lang.Class类的实例来表示这个类。这两个实例是不相同的。对于 Java 虚拟机来说，它们是不同的类。试图对这两个类的对象进行相互赋值，会抛出运行时异常 ClassCastException。下面通过示例来具体说明。代码清单 3中给出了 Java 类 com.example.Sample。
清单 3. com.example.Sample 类
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package com.example;
public class Sample { private Sample instance;
public void setSample(Object instance) { this.instance = (Sample) instance; } } |
如 代码清单 3所示，com.example.Sample类的方法 setSample接受一个 java.lang.Object类型的参数，并且会把该参数强制转换成 com.example.Sample类型。测试 Java 类是否相同的代码如 代码清单 4所示。
清单 4. 测试 Java 类是否相同
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public void testClassIdentity() { String classDataRootPath = "C:\\workspace\\Classloader\\classData"; FileSystemClassLoader fscl1 = new FileSystemClassLoader(classDataRootPath); FileSystemClassLoader fscl2 = new FileSystemClassLoader(classDataRootPath); String className = "com.example.Sample"; try { Class class1 = fscl1.loadClass(className); Object obj1 = class1.newInstance(); Class class2 = fscl2.loadClass(className); Object obj2 = class2.newInstance(); Method setSampleMethod = class1.getMethod("setSample", java.lang.Object.class); setSampleMethod.invoke(obj1, obj2); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } |
代码清单 4中使用了类 FileSystemClassLoader的两个不同实例来分别加载类 com.example.Sample，得到了两个不同的 java.lang.Class的实例，接着通过 newInstance()方法分别生成了两个类的对象 obj1和 obj2，最后通过 Java 的反射 API 在对象 obj1上调用方法 setSample，试图把对象 obj2赋值给 obj1内部的 instance对象。代码清单 4的运行结果如 代码清单 5所示。
清单 5. 测试 Java 类是否相同的运行结果
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java.lang.reflect.InvocationTargetException at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method) at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:39) at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:25) at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:597) at classloader.ClassIdentity.testClassIdentity(ClassIdentity.java:26) at classloader.ClassIdentity.main(ClassIdentity.java:9) Caused by: java.lang.ClassCastException: com.example.Sample cannot be cast to com.example.Sample at com.example.Sample.setSample(Sample.java:7) ... 6 more |
从 代码清单 5给出的运行结果可以看到，运行时抛出了 java.lang.ClassCastException异常。虽然两个对象 obj1和 obj2的类的名字相同，但是这两个类是由不同的类加载器实例来加载的，因此不被 Java 虚拟机认为是相同的。
了解了这一点之后，就可以理解代理模式的设计动机了。代理模式是为了保证 Java 核心库的类型安全。所有 Java 应用都至少需要引用 java.lang.Object类，也就是说在运行的时候，java.lang.Object这个类需要被加载到 Java 虚拟机中。如果这个加载过程由 Java 应用自己的类加载器来完成的话，很可能就存在多个版本的 java.lang.Object类，而且这些类之间是不兼容的。通过代理模式，对于 Java 核心库的类的加载工作由引导类加载器来统一完成，保证了 Java 应用所使用的都是同一个版本的 Java 核心库的类，是互相兼容的。
不同的类加载器为相同名称的类创建了额外的名称空间。相同名称的类可以并存在 Java 虚拟机中，只需要用不同的类加载器来加载它们即可。不同类加载器加载的类之间是不兼容的，这就相当于在 Java 虚拟机内部创建了一个个相互隔离的 Java 类空间。这种技术在许多框架中都被用到，后面会详细介绍。
下面具体介绍类加载器加载类的详细过程。
加载类的过程
在前面介绍类加载器的代理模式的时候，提到过类加载器会首先代理给其它类加载器来尝试加载某个类。这就意味着真正完成类的加载工作的类加载器和启动这个加载过程的类加载器，有可能不是同一个。真正完成类的加载工作是通过调用 defineClass来实现的；而启动类的加载过程是通过调用 loadClass来实现的。前者称为一个类的定义加载器（defining loader），后者称为初始加载器（initiating loader）。在 Java 虚拟机判断两个类是否相同的时候，使用的是类的定义加载器。也就是说，哪个类加载器启动类的加载过程并不重要，重要的是最终定义这个类的加载器。两种类加载器的关联之处在于：一个类的定义加载器是它引用的其它类的初始加载器。如类 com.example.Outer引用了类 com.example.Inner，则由类 com.example.Outer的定义加载器负责启动类 com.example.Inner的加载过程。
方法 loadClass()抛出的是 java.lang.ClassNotFoundException异常；方法 defineClass()抛出的是 java.lang.NoClassDefFoundError异常。
类加载器在成功加载某个类之后，会把得到的 java.lang.Class类的实例缓存起来。下次再请求加载该类的时候，类加载器会直接使用缓存的类的实例，而不会尝试再次加载。也就是说，对于一个类加载器实例来说，相同全名的类只加载一次，即 loadClass方法不会被重复调用。
下面讨论另外一种类加载器：线程上下文类加载器。
线程上下文类加载器
线程上下文类加载器（context class loader）是从 JDK 1.2 开始引入的。类 java.lang.Thread中的方法 getContextClassLoader()和 setContextClassLoader(ClassLoader cl)用来获取和设置线程的上下文类加载器。如果没有通过 setContextClassLoader(ClassLoader cl)方法进行设置的话，线程将继承其父线程的上下文类加载器。Java 应用运行的初始线程的上下文类加载器是系统类加载器。在线程中运行的代码可以通过此类加载器来加载类和资源。
前面提到的类加载器的代理模式并不能解决 Java 应用开发中会遇到的类加载器的全部问题。Java 提供了很多服务提供者接口（Service Provider Interface，SPI），允许第三方为这些接口提供实现。常见的 SPI 有 JDBC、JCE、JNDI、JAXP 和 JBI 等。这些 SPI 的接口由 Java 核心库来提供，如 JAXP 的 SPI 接口定义包含在 javax.xml.parsers包中。这些 SPI 的实现代码很可能是作为 Java 应用所依赖的 jar 包被包含进来，可以通过类路径（CLASSPATH）来找到，如实现了 JAXP SPI 的 Apache Xerces所包含的 jar 包。SPI 接口中的代码经常需要加载具体的实现类。如 JAXP 中的 javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory类中的 newInstance()方法用来生成一个新的 DocumentBuilderFactory的实例。这里的实例的真正的类是继承自 javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory，由 SPI 的实现所提供的。如在 Apache Xerces 中，实现的类是 org.apache.xerces.jaxp.DocumentBuilderFactoryImpl。而问题在于，SPI 的接口是 Java 核心库的一部分，是由引导类加载器来加载的；SPI 实现的 Java 类一般是由系统类加载器来加载的。引导类加载器是无法找到 SPI 的实现类的，因为它只加载 Java 的核心库。它也不能代理给系统类加载器，因为它是系统类加载器的祖先类加载器。也就是说，类加载器的代理模式无法解决这个问题。
线程上下文类加载器正好解决了这个问题。如果不做任何的设置，Java 应用的线程的上下文类加载器默认就是系统上下文类加载器。在 SPI 接口的代码中使用线程上下文类加载器，就可以成功的加载到 SPI 实现的类。线程上下文类加载器在很多 SPI 的实现中都会用到。
下面介绍另外一种加载类的方法：Class.forName。
Class.forName
Class.forName是一个静态方法，同样可以用来加载类。该方法有两种形式：Class.forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader)和 Class.forName(String className)。第一种形式的参数 name表示的是类的全名；initialize表示是否初始化类；loader表示加载时使用的类加载器。第二种形式则相当于设置了参数 initialize的值为 true，loader的值为当前类的类加载器。Class.forName的一个很常见的用法是在加载数据库驱动的时候。如 Class.forName("org.apache.derby.jdbc.EmbeddedDriver").newInstance()用来加载 Apache Derby 数据库的驱动。
在介绍完类加载器相关的基本概念之后，下面介绍如何开发自己的类加载器。
开发自己的类加载器
虽然在绝大多数情况下，系统默认提供的类加载器实现已经可以满足需求。但是在某些情况下，您还是需要为应用开发出自己的类加载器。比如您的应用通过网络来传输 Java 类的字节代码，为了保证安全性，这些字节代码经过了加密处理。这个时候您就需要自己的类加载器来从某个网络地址上读取加密后的字节代码，接着进行解密和验证，最后定义出要在 Java 虚拟机中运行的类来。下面将通过两个具体的实例来说明类加载器的开发。
文件系统类加载器
第一个类加载器用来加载存储在文件系统上的 Java 字节代码。完整的实现如 代码清单 6所示。
清单 6. 文件系统类加载器
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public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader {
private String rootDir;
public FileSystemClassLoader(String rootDir) { this.rootDir = rootDir; }
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException { byte[] classData = getClassData(name); if (classData == null) { throw new ClassNotFoundException(); } else { return defineClass(name, classData, 0, classData.length); } }
private byte[] getClassData(String className) { String path = classNameToPath(className); try { InputStream ins = new FileInputStream(path); ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); int bufferSize = 4096; byte[] buffer = new byte[bufferSize]; int bytesNumRead = 0; while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1) { baos.write(buffer, 0, bytesNumRead); } return baos.toByteArray(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } return null; }
private String classNameToPath(String className) { return rootDir + File.separatorChar + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class"; } } |
如 代码清单 6所示，类 FileSystemClassLoader继承自类 java.lang.ClassLoader。在 表 1中列出的 java.lang.ClassLoader类的常用方法中，一般来说，自己开发的类加载器只需要覆写 findClass(String name)方法即可。java.lang.ClassLoader类的方法 loadClass()封装了前面提到的代理模式的实现。该方法会首先调用 findLoadedClass()方法来检查该类是否已经被加载过；如果没有加载过的话，会调用父类加载器的 loadClass()方法来尝试加载该类；如果父类加载器无法加载该类的话，就调用 findClass()方法来查找该类。因此，为了保证类加载器都正确实现代理模式，在开发自己的类加载器时，最好不要覆写 loadClass()方法，而是覆写 findClass()方法。
类 FileSystemClassLoader的 findClass()方法首先根据类的全名在硬盘上查找类的字节代码文件（.class 文件），然后读取该文件内容，最后通过 defineClass()方法来把这些字节代码转换成 java.lang.Class类的实例。
网络类加载器
下面将通过一个网络类加载器来说明如何通过类加载器来实现组件的动态更新。即基本的场景是：Java 字节代码（.class）文件存放在服务器上，客户端通过网络的方式获取字节代码并执行。当有版本更新的时候，只需要替换掉服务器上保存的文件即可。通过类加载器可以比较简单的实现这种需求。
类 NetworkClassLoader负责通过网络下载 Java 类字节代码并定义出 Java 类。它的实现与 FileSystemClassLoader类似。在通过 NetworkClassLoader加载了某个版本的类之后，一般有两种做法来使用它。第一种做法是使用 Java 反射 API。另外一种做法是使用接口。需要注意的是，并不能直接在客户端代码中引用从服务器上下载的类，因为客户端代码的类加载器找不到这些类。使用 Java 反射 API 可以直接调用 Java 类的方法。而使用接口的做法则是把接口的类放在客户端中，从服务器上加载实现此接口的不同版本的类。在客户端通过相同的接口来使用这些实现类。网络类加载器的具体代码见 下载。
在介绍完如何开发自己的类加载器之后，下面说明类加载器和 Web 容器的关系。
类加载器与 Web 容器
对于运行在 Java EE™容器中的 Web 应用来说，类加载器的实现方式与一般的 Java 应用有所不同。不同的 Web 容器的实现方式也会有所不同。以 Apache Tomcat 来说，每个 Web 应用都有一个对应的类加载器实例。该类加载器也使用代理模式，所不同的是它是首先尝试去加载某个类，如果找不到再代理给父类加载器。这与一般类加载器的顺序是相反的。这是 Java Servlet 规范中的推荐做法，其目的是使得 Web 应用自己的类的优先级高于 Web 容器提供的类。这种代理模式的一个例外是：Java 核心库的类是不在查找范围之内的。这也是为了保证 Java 核心库的类型安全。
绝大多数情况下，Web 应用的开发人员不需要考虑与类加载器相关的细节。下面给出几条简单的原则：
- 每个 Web 应用自己的 Java 类文件和使用的库的 jar 包，分别放在 WEB-INF/classes和 WEB-INF/lib目录下面。
- 多个应用共享的 Java 类文件和 jar 包，分别放在 Web 容器指定的由所有 Web 应用共享的目录下面。
- 当出现找不到类的错误时，检查当前类的类加载器和当前线程的上下文类加载器是否正确。
在介绍完类加载器与 Web 容器的关系之后，下面介绍它与 OSGi 的关系。
总结
类加载器是 Java 语言的一个创新。它使得动态安装和更新软件组件成为可能。本文详细介绍了类加载器的相关话题，包括基本概念、代理模式、线程上下文类加载器、与 Web 容器和 OSGi 的关系等。开发人员在遇到 ClassNotFoundException和 NoClassDefFoundError等异常的时候，应该检查抛出异常的类的类加载器和当前线程的上下文类加载器，从中可以发现问题的所在。在开发自己的类加载器的时候，需要注意与已有的类加载器组织结构的协调。
附录2 解析过程
关键词释义
符号引用:
符号引用（Symbolic References）：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能够无歧义的定位到目标即可。例如，在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现。符号引用与虚拟机的内存布局无关，引用的目标并不一定加载到内存中。在Java中，一个java类将会编译成一个class文件。在编译时，java类并不知道所引用的类的实际地址，因此只能使用符号引用来代替。比如org.simple.People类引用了org.simple.Language类，在编译时People类并不知道Language类的实际内存地址，因此只能使用符号org.simple.Language（假设是这个，当然实际中是由类似于CONSTANT_Class_info的常量来表示的）来表示Language类的地址。各种虚拟机实现的内存布局可能有所不同，但是它们能接受的符号引用都是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。
直接引用:
直接引用可以是:
（1）直接指向目标的指针（比如，指向“类型”【Class对象】、类变量、类方法的直接引用可能是指向方法区的指针）
（2）相对偏移量（比如，指向实例变量、实例方法的直接引用都是偏移量）
（3）一个能间接定位到目标的句柄
直接引用是和虚拟机的布局相关的，同一个符号引用在不同的虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经被加载入内存中了。
原理阐述:
在进行解析之前需要对符号引用进行解析，不同虚拟机实现可以根据需要判断到底是在类被加载器加载的时候对常量池的符号引用进行解析（也就是初始化之前），还是等到一个符号引用被使用之前进行解析（也就是在初始化之后）。
到现在我们已经明白解析阶段的时机，那么还有一个问题是：如果一个符号引用进行多次解析请求，虚拟机中除了invokedynamic指令外，虚拟机可以对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录引用，并把常量标识为一解析状态），这样就避免了一个符号引用的多次解析。
解析动作主要针对的是类或者接口、字段、类方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用。这里主要说明前四种的解析过程。
1.类或者接口解析
要把一个类或者接口的符号引用解析为直接引用，需要以下三个步骤：
- 如果该符号引用不是一个数组类型，那么虚拟机将会把该符号代表的全限定名称传递给类加载器去加载这个类。这个过程由于涉及验证过程所以可能会触发其他相关类的加载
- 如果该符号引用是一个数组类型，并且该数组的元素类型是对象。我们知道符号引用是存在方法区的常量池中的，该符号引用的描述符会类似”[java/lang/Integer”的形式，将会按照上面的规则进行加载数组元素类型，如果描述符如前面假设的形式，需要加载的元素类型就是java.lang.Integer ,接着由虚拟机将会生成一个代表此数组对象的直接引用
- 如果上面的步骤都没有出现异常，那么该符号引用已经在虚拟机中产生了一个直接引用，但是在解析完成之前需要对符号引用进行验证，主要是确认当前调用这个符号引用的类是否具有访问权限，如果没有访问权限将抛出java.lang.IllegalAccess异常
2.字段解析
对字段的解析需要首先对其所属的类进行解析，因为字段是属于类的，只有在正确解析得到其类的正确的直接引用才能继续对字段的解析。对字段的解析主要包括以下几个步骤：
- 如果该字段符号引用就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，解析结束
- 否则，如果在该符号的类实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，如果在接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，那么久直接返回这个字段的直接引用，解析结束
- 否则，如果该符号所在的类不是Object类的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都相匹配的字段，那么直接返回这个字段的直接引用，解析结束
- 否则，解析失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常
如果最终返回了这个字段的直接引用，就进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常
3. 类方法解析
进行类方法的解析仍然需要先解析此类方法的类，在正确解析之后需要进行如下的步骤：
- 类方法和接口方法的符号引用是分开的，所以如果在类方法表中发现class_index（类中方法的符号引用）的索引是一个接口，那么会抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError的异常
- 如果class_index的索引确实是一个类，那么在该类中查找是否有简单名称和描述符都与目标字段相匹配的方法，如果有的话就返回这个方法的直接引用，查找结束
- 否则，在该类的父类中递归查找是否具有简单名称和描述符都与目标字段相匹配的字段，如果有，则直接返回这个字段的直接引用，查找结束
- 否则，在这个类的接口以及它的父接口中递归查找，如果找到的话就说明这个方法是一个抽象类，查找结束，返回java.lang.AbstractMethodError异常
- 否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常
如果最终返回了直接引用，还需要对该符号引用进行权限验证，如果没有访问权限，就抛出java.lang.IllegalAccessError异常
4. 接口方法解析
同类方法解析一样，也需要先解析出该方法的类或者接口的符号引用，如果解析成功，就进行下面的解析工作：
- 如果在接口方法表中发现class_index的索引是一个类而不是一个接口，那么也会抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError的异常
- 否则，在该接口方法的所属的接口中查找是否具有简单名称和描述符都与目标字段相匹配的方法，如果有的话就直接返回这个方法的直接引用。
- 否则，在该接口以及其父接口中查找，直到Object类，如果找到则直接返回这个方法的直接引用
- 否则，查找失败
接口的所有方法都是public，所以不存在访问权限问题。
附录3 静态变量 成员变量以及局部变量
成员变量：
①成员变量定义在类中，在整个类中都可以被访问。
②成员变量随着对象的建立而建立，随着对象的消失而消失，存在于对象所在的堆内存中。
③成员变量有默认初始化值。
局部变量：
①局部变量只定义在局部范围内，如：函数内，语句内等，只在所属的区域有效。
②局部变量存在于栈内存中，作用的范围结束，变量空间会自动释放。
③局部变量没有默认初始化值
在使用变量时需要遵循的原则为：就近原则
首先在局部范围找，有就使用；接着在成员位置找。
静态变量
由static修饰的变量称为静态变量，其实质上就是一个全局变量。如果某个内容是被所有对象所共享，那么该内容就应该用静态修饰；没有被静态修饰的内容，其实是属于对象的特殊描述。
成员变量和静态变量的区别
1、两个变量的生命周期不同
成员变量随着对象的创建而存在，随着对象被回收而释放。
静态变量随着类的加载而存在，随着类的消失而消失。
2、调用方式不同
成员变量只能被对象调用。
静态变量可以被对象调用，还可以被类名调用。
3、别名不同
成员变量也称为实例变量。
静态变量也称为类变量。
4、数据存储位置不同
成员变量存储在堆内存的对象中，所以也叫对象的特有数据。
静态变量数据存储在方法区（共享数据区）的静态区，所以也叫对象的共享数据。
列表对比：
成员变量、局部变量、静态变量的区别
|
|
成员变量 |
局部变量 |
静态变量 |
| 定义位置 |
在类中,方法外 |
方法中,或者方法的形式参数 |
在类中,方法外 |
| 初始化值 |
有默认初始化值 |
无,先定义,赋值后才能使用 |
有默认初始化值 |
| 调用方式 |
对象调用 |
--- |
对象调用，类名调用 |
| 存储位置 |
堆中 |
栈中 |
方法区 |
| 生命周期 |
与对象共存亡 |
与方法共存亡 |
与类共存亡 |
| 别名 |
实例变量 |
--- |
类变量 |
小结：
尽管三者的本质都是变量，可是使用时却有相当大的区别，稍不留神就可能陷入陷阱。且先记住：在一个类中，如果一个变量能够用来描述一个类的属性，那就定义为成员变量，否则，它就应该定义为局部变量。而如果一个变量在全局中都能使用（某个内容是被所有对象所共享），那么我们就可以把这个变量用static来修饰，即为静态变量。另外还有人将实例变量称为非静态成员变量,俨然是将静态变量和实例变量都称为类的成员变量.不论怎么分,但是其用法及其特点是不变的.