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类加载机制.md

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Java 虚拟机入门之类的加载机制
true
2016-05-17 15:08:31 -0700
java
About Java

Java 中类的加载机制的一些学习笔记。

一 . 类的加载，连接和初始化

  • JVM 和 类

启动一个 java 程序，将会启动一个 java 虚拟机进程，不管程序多么复杂，启动了多少个线程，都处于该虚拟机进程里面，都会使用该虚拟机进程的内存区。

  • 类的加载

类的加载是指将类的 class 文件读入内存，并为之创建一个 java.lang.Class 对象，即程序中使用任何类，系统都会为之建立一个 java.lang.Class 对象。这个过程由类加载器完成。类加载器可以从不同来源来加载 class 文件。

类的加载由类的加载器完成，通常由 jvm 提供。jvm 提供的这些类加载器通常被称为系统类加载器，开发者可以通过继承 ClassLoader 基类来创建自己的类加载器。

使用不同的类加载器，可以从不同来源加载类的二进制数据，通常来源：

  1. 从本地文件系统中加载 class 文件，这个 class 文件是是什么文件？编译过后的？
  2. 从 JAR 包加载 class 文件
  3. 通过网络加载 class 文件
  4. 把一个java源文件动态编译，并执行加载

类的加载并不需要等到 "首次使用" 该类时，才加载该类，JVM 可以允许预先加载某些类。

  • 类的连接

类被加载之后，将会生成一个对应的 Class 对象，接着将会进入链接阶段，类的加载阶段负责把类的二进制数据合并到 JRE 中。类的连接又分为以下几个阶段：

  1. 验证：验证阶段用于检验被加载的类是否有正确的内部结构，并和其他类协调一致。
  2. 准备：负责为类的类变量分配内存，并设置默认初始值
  3. 解析：将类的二进制数据中的符号引用替换成直接引用。
  • 类的初始化

类的初始化阶段，虚拟机负责，主要就是类变量。java 当中对类变量指定初始值方式有两种：

  1. 声明变量时指定初始值

  2. 使用静态初始化块为类变量指定初始值，可见如下实例：

    static{
  b = 6;
}

JVM 初始化一个类包含以下步骤：

  1. 若未加载和链接，则先加载并连接
  2. 若该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其父类
  3. 加入类中有初始化语句，先执行初始化语句
  • 类的初始化时机

当 java 程序首次通过下面6种方式来使用某个类和接口时，系统就会初始化该类和接口：

1.创建类的实例。

2.调用某个类的类方法[静态方法]。 3.访问某个类或者接口的类变量，或者为其复制。 4.使用反射方式强制创建某个类或者接口对应的 java.lang.Class 对象。

5.初始化某个类的子类，当初始化某个类的子类的时候，该子类的所有父类都会被初始化。

6.直接用 java.exe 来运行某个类。

另外有注意： final 型的变量，如果其值在编译时就可以被确定下来，那么这个类变量相当于"宏变量"即常量，java会在编译时直接把这个类变量在出现时替换成它的值，因此即使程序使用该静态变量，也不会导致该类的初始化。

另外还有一种情况，当使用 ClassLoader 类的 loadClass() 方法来加载某个类时，该方法只是加载该类，并不会执行该类的初始化，使用 Class 的 forName() 静态方法才会强制该类初始化。

二 . 类加载器

说一下程序在计算机的过程： write code ——> .java ——> 编译 ——> .class(字节码文件)-->装载进类加载器(JVM)-->产生 java.lang.Class 对象

而 java.lang.Class 就是我们进行反射操作时，所需要的一个对象。

  • 类的加载器简介

类加载器负责将.class文件(磁盘或者内存上)加载到内存中，并为之生成对应的 java.lang.class 对象。通过类的权限定名获取该类的二进制字节流的代码块叫做类加载器。 主要有一下四种类加载器:

  1. 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)用来加载java核心类库，无法被java程序直接引用。
  2. 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。
  3. 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。
  • 类加载机制
  1. 全盘负责，当一个类加载器负责加载某个 Class 时，该 Class 所依赖和引用的其他 Class 也由该类加载器负责载入，除非显示的调用另外一个加载器来载入。
  2. 父类委托，先让父类加载器负责加载该 CLass，父类无法加载，则自己加载。
  3. 缓存机制，所有加载过的 Class 都会被缓存，当程序需要使用某个 Class 时，类加载器先从缓存区搜徐该 Class，只有当不存在时，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换为 Class 对象，存入缓存区，这就是为什么修改了 Class 后，必须要重新启动 JVM，程序所做的修改才会生效的原因。

如何判断两个 Class 相同

JVM 在判定两个 class 是否相同时，不仅要判断两个类名是否相同，而且要判断是否由同一个类加载器实例加载的。只有两者同时满足的情况下，JVM 才认为这两个 class 是相同的。

三 . Classloader 类加载的原理

ClassLoader 使用的是双亲委托模型来搜索类的，每个 ClassLoader 实例都有一个父类加载器的引用（不是继承的关系，是一个包含的关系），虚拟机内置的类加载器（Bootstrap ClassLoader）本身没有父类加载器，但可以用作其它 ClassLoader 实例的的父类加载器。当一个ClassLoader实例需要加载某个类时，它会试图亲自搜索某个类之前，先把这个任务委托给它的父类加载器，这个过程是由上至下依次检查的，首先由最顶层的类加载器 Bootstrap ClassLoader试图加载，如果没加载到，则把任务转交给Extension ClassLoader 试图加载，如果也没加载到，则转交给App ClassLoader 进行加载，如果它也没有加载得到的话，则返回给委托的发起者，由它到指定的文件系统或网络等URL中加载该类。如果它们都没有加载到这个类时，则抛出 ClassNotFoundException 异常。否则将这个找到的类生成一个类的定义，并将它加载到内存当中，最后返回这个类在内存中的 Class 实例对象。

为什么要使用双亲委托模型

因为这样可以避免重复加载，当父亲已经加载了该类的时候，就没有必要子 ClassLoader 再加载一次。考虑到安全因素，我们试想一下，如果不使用这种委托模式，那我们就可以随时使用自定义的 String 来动态替代 java 核心 api 中定义的类型，这样会存在非常大的安全隐患，而双亲委托的方式，就可以避免这种情况，因为 String 已经在启动时就被引导类加载器（Bootstrcp ClassLoader）加载，所以用户自定义的 ClassLoader 永远也无法加载一个自己写的 String，除非你改变 JDK 中 ClassLoader 搜索类的默认算法

四 . 自定义类加载器

JVM 中除根类加载器之外的所有类加载器都是 ClassLoader 子类的实例。开发者可以通过扩展 ClassLoader 子类，并重写其包含的方法来实现自定义的类加载器。

ClassLoader 的关键方法：

  1. loadClass(String name,boolean resolve):根据指定名称来加载类
  2. findClass(String name):根据指定名称来查找类

ClassLOader 类加载顺序

  1. 调用findLoadedClass(String) 来检查是否已经加载类

  2. 在父类加载器上调用loadClass方法。如果父亲不能加载，一次一级一级传给子类

  3. 调用子类findClass(String) 方法查找类。若还加载不了就返回ClassNotFoundException，不交给发起请求的加载器的子加载器

实现的功能就是可以替代系统的编译工程，自己来编译该 java 源文件。

更进一步还有以下功能可以扩展：

  1. 执行代码前自动执行数字验证
  2. 根据用户需求来动态加载类
  3. 根据应用需求把其他数据以字节码的形式加载到应用中
  4. 根据用户提供的密码解密代码，从而可以实现混淆编译 *.class 文件

五 . URLClassLoader 类

Java 为 ClassLoader 提供了一个 URLCLassLoader 实现类，该类也是系统类加载器和扩展类加载器的父类。URLClassLoader 可从本地系统获取二进制文件，也可以从远程主机获取二进制文件来加载类。

一旦获得 URLClassLoader 对象之后，就可以调用该对象的 loadClass() 方法来指定加载类。下面程序示范了如何直接通过文件系统加载 MYSQL 驱动，并使用该驱动来获取数据库连接。通过这种方式来获取数据库连接，可以无需将 MYSQL 驱动添加到环境变量中。

public class URLClassLoaderTest
{
	private static Connection conn;
	//定义一个获取数据库连接方法
	public static Connection getConn(String url , 
		String user , String pass) throws Exception
	{
		if (conn == null)
		{
			// 创建一个URL数组
			URL[] urls = {new URL(
				"file:mysql-connector-java-3.1.10-bin.jar")};
			// 以默认的ClassLoader作为父ClassLoader，创建URLClassLoader
			URLClassLoader myClassLoader = new URLClassLoader(urls);
			// 加载MySQL的JDBC驱动，并创建默认实例
			Driver driver = (Driver)myClassLoader.
				loadClass("com.mysql.jdbc.Driver").newInstance();
			// 创建一个设置JDBC连接属性的Properties对象
			Properties props = new Properties();
			// 至少需要为该对象传入user和password两个属性
			props.setProperty("user" , user);
			props.setProperty("password" , pass);
			// 调用Driver对象的connect方法来取得数据库连接
			conn = driver.connect(url , props);
		}
		return conn;
	}
	public static void main(String[] args)throws Exception
	{
		System.out.println(getConn("jdbc:mysql://localhost:3306/mysql"
			, "root" , "32147"));
	}
}