面试必问 Java类加载机制和类加载器
文章目录
- 1. 类加载机制
- 2. 类加载的过程
- 2.1 装载（Load）
- 2.2 链接（Link）
- 2.3 初始化
- 3. clinit方法
- 4. 类加载器
- 5. 双亲委派模型
1. 类加载机制
所谓类加载机制就是JVM虚拟机把Class文件加载到内存，并对数据进行校验，转换解析和初始化，形成虚拟机可以直接使用的Java类型，即Java.lang.Class。
2. 类加载的过程
类加载的过程主要有装载（Load）、链接（Link）、初始化（Initialize）
2.1 装载（Load）
类的装载指的是将类的.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，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类装载的最终产品是位于堆区中的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。
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。
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
2.2 链接（Link）
链接这一过程又可以分为验证（Validate）、准备（Prepare）、解析（Resolve）三个阶段
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验证（Validate）
保证被加载类的正确性。其主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。 -
准备（Prepare）
为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值
准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意
- 这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。
- 这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。
假设一个类变量的定义为：public static int value = 3；
那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为3的putstatic指令是在程序编译后，存放于类构造器（）方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。
这里还需要注意以下几点
- 对基本数据类型来说，对于类变量（static）和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。
- 对于同时被static和final修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。
- 对于引用数据类型reference来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即null。
- 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值
- 如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，即同时被final和static修饰，那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstValue属性所指定的值。假设上面的类变量value被定义为：
public static final int value = 3；，编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为3。我们可以理解为static final常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中
- 解析（Resolve）
解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。
2.3 初始化
对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作。准备阶段和初始化阶段看似有点矛盾，其实是不矛盾的，如果类中有语句：private static int a = 10，它的执行过程是这样的，首先字节码文件被加载到内存后，先进行链接的验证这一步骤，验证通过后准备阶段，给a分配内存，因为变量a是static的，所以此时a等于int类型的默认初始值0，即a=0,然后到解析，到初始化这一步骤时，才把a的真正的值10赋给a,此时a=10。
JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：
- 声明类变量是指定初始值，也就是直接给类别量一个值
- 使用静态代码块为类变量指定初始值
初始化，主要是执行类的类构造器< clinit>()方法，JVM会将类中的静态代码块和静态变量的赋值语句放在该方法里面。
JVM初始化步骤
1、假如这个类还没有被加载和链接，则程序先加载并链接该类
2、假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类
3、假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句
类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种：
– 创建类的实例，也就是new的方式
– 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
– 调用类的静态方法
– 反射（如Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)）
– 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
– Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（Java Test），直接使用java.exe命令来运行某个主类
3. clinit方法
类初始化方法clinit：JVM通过Classloader进行类型加载时，如果在加载时需要进行类的初始化操作时，则会调用类的初始化方法。 clinit方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句中可以赋值，但是不能访问。
- clinit方法对于类或接口来说并不是必须的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成clinit方法。
- 接口中不能使用静态语句块，但仍然有类变量（final static）初始化的赋值操作，因此接口与类一样会生成clinit方法。但是接口与类不同的是：执行接口的clinit方法不需要先执行父接口的clinit方法，只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的clinit方法。
- 虚拟机会保证一个类的clinit方法在多线程环境中被正确地加锁和同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的clinit方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行clinit方法完毕。如果在一个类的clinit方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。
说到 clinit方法，就不得不说一下对象实例化方法init。
对象实例化方法init：Java对象在被创建时，会进行实例化操作，给成员变量赋值。该部分操作封装在init方法中，并且子类的init方法中会首先对父类init方法的调用。
clinit 方法和init 方法的区别
- init和clinit方法执行时机不同
- init是对象构造器方法，也就是说在程序执行new 一个对象调用该对象类的 constructor 方法时才会执行init方法，而clinit是类构造器方法，也就是在jvm进行类加载—–验证—-解析—–初始化，中的初始化阶段jvm会调用clinit方法。
- init和clinit方法执行目的不同
- init是instance实例构造器，对非静态变量解析初始化，而clinit是class类构造器对静态变量，静态代码块进行初始化
- clinit 和init方法的数量不同
- 编译器最多只为一个类生成一个clinit方法，如果类中没有静态成员或者代码块的话，就不会有clint方法。而init方法，类中一个构造函数就对应一个init方法
4. 类加载器
类加载器负责加载所有的类，其为所有被载入内存中的类生成一个java.lang.Class实例对象。一旦一个类被加载到JVM中，同一个类就不会被再次载入了。正如一个对象有一个唯一的标识一样，一个载入JVM的类也有一个唯一的标识。在Java中，一个类用其全限定类名（包括包名和类名）作为标识；但在JVM中，一个类用其全限定类名和其类加载器作为其唯一标识。例如，如果在pg的包中有一个名为Person的类，被类加载器ClassLoader的实例kl负责加载，则该Person类对应的Class对象在JVM中表示为(Person.pg.kl)。这意味着两个类加载器加载的同名类：（Person.pg.kl）和（Person.pg.kl2）是不同的、它们所加载的类也是完全不同、互不兼容的。
JVM预定义有三种类加载器，当一个 JVM启动的时候，Java开始使用如下三种类加载器：
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启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.*开头的类均被Bootstrap ClassLoader加载）。启动类加载器是由C++实现的，没有对应的Java对象，因此在Java中只能用null代替。
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扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括JDK/jre/lib/*.jar 或 -Djava.ext.dirs指定目录下的jar包。，开发者可以直接使用扩展类加载器。
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应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。
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自定义类加载器 Custom ClassLoader： 通过继承java.lang.ClassLoader根据自身需要自定义ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader。
5. 双亲委派模型
几种类加载器的层次关系如下图所示
这种层次关系称为类加载器的双亲委派模型。我们把每一层上面的类加载器叫做当前层类加载器的父加载器，当然，它们之间的父子关系并不是通过继承关系来实现的，而是使用组合关系来复用父加载器中的代码。该模型在JDK1.2期间被引入并广泛应用于之后几乎所有的Java程序中，但它并不是一个强制性的约束模型，而是Java设计者们推荐给开发者的一种类的加载器实现方式。
双亲委派模型的工作流程是：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，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上，因此，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时，即无法完成该加载，子加载器才会尝试自己去加载该类。
双亲委派机制的优势：采用双亲委派模式的是好处是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，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。其次是考虑到安全因素，java核心api中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Integer，而直接返回已加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。
参考：
- 【深入Java虚拟机】之四：类加载机制
- Java类加载机制
- jvm之java类加载机制和类加载器(ClassLoader)的详解
- java init()与clinit()的区别
如有不足之处，欢迎指正，谢谢！