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寫在前面
在前幾年面試Java高級(jí)程序員的時(shí)候，只要是會(huì)一點(diǎn)JVM的基礎(chǔ)知識(shí)，基本就都能夠面試通過(guò)了。最近幾年，對(duì)Java工程師的要求越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)于中級(jí)Java工程師來(lái)說(shuō)，也需要掌握J(rèn)VM相關(guān)的知識(shí)了。這不，一名讀者出去面試Java中級(jí)崗位，就被問及了JVM相關(guān)的類的加載、鏈接和初始化的問題。
概述
本文我們一起討論Java類的加載、鏈接和初始化。Java字節(jié)代碼的表現(xiàn)形式是字節(jié)數(shù)組(byte[])，而Java類在JVM中的表現(xiàn)形式是 java.lang.Class類 的對(duì)象。一個(gè)Java類從字節(jié)代碼到能夠在JVM中被使用，需要經(jīng)過(guò)加載、鏈接和初始化這三個(gè)步驟。這三個(gè)步驟中，對(duì)開發(fā)人員直接可見的是Java類的加 載，通過(guò)使用Java類加載器(class loader)可以在運(yùn)行時(shí)刻動(dòng)態(tài)的加載一個(gè)Java類;而鏈接和初始化則是在使用Java類之前會(huì)發(fā)生的動(dòng)作。本文會(huì)詳細(xì)介紹Java類的加載、鏈接和 初始化的過(guò)程。
Java 類的加載
Java類的加載是由類加載器來(lái)完成的。
一般來(lái)說(shuō)，類加載器分成兩類：?jiǎn)?dòng)類加載器(bootstrap)和用戶自定義的類加載器(user-defined)。
兩者的區(qū)別在于啟動(dòng)類加載器是由JVM的原生代碼實(shí)現(xiàn)的，而用戶自定義的類加載器都繼承自Java中的 java.lang.ClassLoader類。在用戶自定義類加載器的部分，一般JVM都會(huì)提供一些基本實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序的開發(fā)人員也可以根據(jù)需要編寫自己的類加載器。JVM中最常使用的是系統(tǒng)類加載器(system)，它用來(lái)啟動(dòng) Java應(yīng)用程序的加載。通過(guò)java.lang.ClassLoader的 getSystemClassLoader()方法可以獲取到該類加載器對(duì)象。
類加載器需要完成的最終功能是定義一個(gè)Java類，即把Java字節(jié)代碼轉(zhuǎn)換成JVM中的java.lang.Class類的對(duì)象。但是類加載的過(guò)程并不是這么簡(jiǎn)單。
Java類加載器有兩個(gè)比較重要的特征：層次組織結(jié)構(gòu)和代理模式。
層次組織結(jié)構(gòu)指的是每個(gè)類加載器都有一個(gè)父類加載器，通過(guò) getParent()方法可以獲取到。類加載器通過(guò)這種父親-后代的方式組織在一起，形成樹狀層次結(jié)構(gòu)。代理模式則指的是一個(gè)類加載器既可以自己完成Java類的定義工作，也可以代理給其它的類加載器來(lái)完成。由于代理模式的存在，啟動(dòng)一個(gè)類的加載過(guò)程的類加載器和最終定義這個(gè)類的類加載器可能并不是一個(gè)。前者稱為初始類加載器， 而后者稱為定義類加載器。
兩者的關(guān)聯(lián)在于：一個(gè)Java類的定義類加載器是該類所導(dǎo)入的其它Java類的初始類加載器。比如類A通過(guò)import導(dǎo)入了類 B，那么由類A的定義類加載器負(fù)責(zé)啟動(dòng)類B的加載過(guò)程。一般的類加載器在嘗試自己去加載某個(gè)Java類之前，會(huì)首先代理給其父類加載器。當(dāng)父類加載器找不到的時(shí)候，才會(huì)嘗試自己加載。這個(gè)邏輯是封裝在java.lang.ClassLoader類的 loadClass()方法中的。一般來(lái)說(shuō)，父類優(yōu)先的策略就足夠好了。在某些情況下，可能需要采取相反的策略，即先嘗試自己加載，找不到的時(shí)候再代理給父類加載器。這種做法在Java的Web容器中比較常見，也是 Servlet規(guī)范推薦的做法。比如，Apache Tomcat為每個(gè)Web應(yīng)用都提供一個(gè)獨(dú)立的類加載器，使用的就是自己優(yōu)先加載的策略。IBM WebSphere Application Server則允許Web應(yīng)用選擇。
類加載器使用的策略
類加載器的一個(gè)重要用途是在JVM中為相同名稱的Java類創(chuàng)建隔離空間。在JVM中，判斷兩個(gè)類是否相同，不僅是根據(jù)該類的二進(jìn)制名稱 ，還需要根據(jù)兩個(gè)類的定義類加載器。只有兩者完全一樣，才認(rèn)為兩個(gè)類是相同的。因此，即便是同樣的Java字節(jié)代碼，被兩個(gè)不同的類加載器定義之后，所得到的Java類也是不同的。如果試圖在兩個(gè)類的對(duì)象之間進(jìn)行賦值操作，會(huì)拋出 java.lang.ClassCastException。這個(gè)特性為同樣名稱的Java類在JVM中共存創(chuàng)造了條件。在實(shí)際的應(yīng)用中，可能會(huì)要求同一名稱的Java類的不同版本在JVM中可以同時(shí)存在。通過(guò)類加載器就可以滿足這種需求。這種技術(shù)在 OSGi中得到了廣泛的應(yīng)用
Java 類的鏈接
Java類的鏈接指的是將Java類的二進(jìn)制代碼合并到JVM的運(yùn)行狀態(tài)之中的過(guò)程。在鏈接之前，這個(gè)類必須被成功加載。類的鏈接包括驗(yàn)證、準(zhǔn)備和解析等幾個(gè)步驟。驗(yàn)證是用來(lái)確保Java類的二進(jìn)制表示在結(jié)構(gòu)上是完全正確的。如果驗(yàn)證過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤的話，會(huì)拋出 java.lang.VerifyError錯(cuò)誤。
準(zhǔn)備過(guò)程則是創(chuàng)建Java類中的靜態(tài)域，并將這些域的值設(shè)為默認(rèn)值。準(zhǔn)備過(guò)程并不會(huì)執(zhí)行代碼。在一個(gè)Java類中會(huì)包含對(duì)其它類或接口的形式引用，包括它的父類、所實(shí)現(xiàn)的接口、方法的形式參數(shù)和返回值的Java類等。解析的過(guò)程就是確保這些被引用的類能被正確的找到。解析的過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致其它的 Java類被加載。不同的 JVM 實(shí)現(xiàn)可能選擇不同的解析策略。
一種做法是在鏈接的時(shí)候，就遞歸的把所有依賴的形式引用都進(jìn)行解析。而另外的做法則可能是只在一個(gè)形式引用真正需要的時(shí)候才進(jìn)行解析。也就是說(shuō)如果一個(gè) Java 類只是被引用了，但是并沒有被真正用到，那么這個(gè)類有可能就不會(huì)被解析?？紤]下面的代碼：
- public class LinkTest {
- public static void main(String[] args) {
- ToBeLinked toBeLinked = null;
- System.out.println("Test link.");
- }
- }
類LinkTest 引用了類 ToBeLinked，但是并沒有真正使用它，只是聲明了一個(gè)變量，并沒有創(chuàng)建該類的實(shí)例或是訪問其中的靜態(tài)域。
在 Oracle 的 JDK 6 中，如果把編譯好的 ToBeLinked 的 Java 字節(jié)代碼刪除之后，再運(yùn)行 LinkTest，程序不會(huì)拋出錯(cuò)誤。這是因?yàn)?ToBeLinked 類沒有被真正用到，而 Oracle 的 JDK 6 所采用的鏈接策略使得ToBeLinked 類不會(huì)被加載，因此也不會(huì)發(fā)現(xiàn) ToBeLinked 的 Java 字節(jié)代碼實(shí)際上是不存在的。如果把代碼改成 ToBeLinked toBeLinked = new ToBeLinked();之后，再按照相同的方法運(yùn)行，就會(huì)拋出異常了。因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候 ToBeLinked 這個(gè)類被真正使用到了，會(huì)需要加載這個(gè)類。
Java 類的初始化
當(dāng)一個(gè) Java 類第一次被真正使用到的時(shí)候，JVM 會(huì)進(jìn)行該類的初始化操作。初始化過(guò)程的主要操作是執(zhí)行靜態(tài)代碼塊和初始化靜態(tài)域。在一個(gè)類被初始化之前，它的直接父類也需要被初始化。但是，一個(gè)接口的初始化，不會(huì)引起其父接口的初始化。在初始化的時(shí)候，會(huì)按照源代碼中從上到下的順序依次執(zhí)行靜態(tài)代碼塊和初始化靜態(tài)域?？紤]下面的代碼：
- public class StaticTest {
- public static int X = 10;
- public static void main(String[] args) {
- System.out.println(Y); //輸出60
- }
- static {
- X = 30;
- }
- public static int Y = X * 2;
- }
在上面的代碼中，在初始化的時(shí)候，靜態(tài)域的初始化和靜態(tài)代碼塊的執(zhí)行會(huì)從上到下依次執(zhí)行。因此變量 X 的值首先初始化成 10，后來(lái)又被賦值成 30;而變量 Y 的值則被初始化成 60。
Java類和接口的初始化時(shí)機(jī)
Java 類和接口的初始化只有在特定的時(shí)機(jī)才會(huì)發(fā)生，這些時(shí)機(jī)包括：
創(chuàng)建一個(gè) Java 類的實(shí)例。如
- MyClass obj = new MyClass()
調(diào)用一個(gè) Java 類中的靜態(tài)方法。如
- MyClass.sayHello()
給 Java 類或接口中聲明的靜態(tài)域賦值。如
- MyClass.value = 10
訪問 Java 類或接口中聲明的靜態(tài)域，并且該域不是常值變量。如
- int value = MyClass.value
在頂層 Java 類中執(zhí)行 assert 語(yǔ)句。
- assert true;
通過(guò) Java 反射 API 也可能造成類和接口的初始化。需要注意的是，當(dāng)訪問一個(gè) Java類或接口中的靜態(tài)域的時(shí)候，只有真正聲明這個(gè)域的類或接口才會(huì)被初始化。如下面的代碼所示。
- package io.mykit.binghe.test;
- class B {
- static int value = 100;
- static {
- System.out.println("Class B is initialized."); // 輸出
- }
- }
- class A extends B {
- static {
- System.out.println("Class A is initialized."); // 不會(huì)輸出
- }
- }
- public class InitTest {
- public static void main(String[] args) {
- System.out.println(A.value); // 輸出100
- }
- }
在上述代碼中，類 InitTest 通過(guò) A.value 引用了類 B 中聲明的靜態(tài)域 value。由于 value是在類 B 中聲明的，只有類 B 會(huì)被初始化，而類 A 則不會(huì)被初始化。
創(chuàng)建自己的類加載器
在 Java 應(yīng)用開發(fā)過(guò)程中，可能會(huì)需要?jiǎng)?chuàng)建應(yīng)用自己的類加載器。典型的場(chǎng)景包括實(shí)現(xiàn)特定的 Java 字節(jié)代碼查找方式、對(duì)字節(jié)代碼進(jìn)行加密/解密以及實(shí)現(xiàn)同名 Java 類的隔離等 。創(chuàng)建 自己的 類加載 器并不 是 一件復(fù)雜 的事情 ，只需要繼承自java.lang.ClassLoader 類并覆寫對(duì)應(yīng)的方法即可。java.lang.ClassLoader 中提供的方法有不少，下面介紹幾個(gè)創(chuàng)建類加載器時(shí)需要考慮的：
- defineClass()：這個(gè)方法用來(lái)完成從Java字節(jié)代碼的字節(jié)數(shù)組到j(luò)ava.lang.Class的轉(zhuǎn)換。這個(gè)方法是不能被覆寫的，一般是用原生代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
- findLoadedClass()：這個(gè)方法用來(lái)根據(jù)名稱查找已經(jīng)加載過(guò)的Java類。一個(gè)類加載器不會(huì)重復(fù)加載同一名稱的類。
- findClass()：這個(gè)方法用來(lái)根據(jù)名稱查找并加載Java類。
- loadClass()：這個(gè)方法用來(lái)根據(jù)名稱加載Java類。
- resolveClass()：這個(gè)方法用來(lái)鏈接一個(gè)Java類。
這里比較 容易混淆的是 findClass()方法和 loadClass()方法的作用。前面提到過(guò)，在Java 類的鏈接過(guò)程中，會(huì)需要對(duì) Java 類進(jìn)行解析，而解析可能會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前 Java 類所引用的其它 Java 類被加載。在這個(gè)時(shí)候，JVM 就是通過(guò)調(diào)用當(dāng)前類的定義類加載器的 loadClass()方法來(lái)加載其它類的。findClass()方法則是應(yīng)用創(chuàng)建的類加載器的擴(kuò)展點(diǎn)。應(yīng)用自己的類加載器應(yīng)該覆寫 findClass()方法來(lái)添加自定義的類加載邏輯。loadClass()方法的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)會(huì)負(fù)責(zé)調(diào)用 findClass()方法。前面提到，類加載器的代理模式默認(rèn)使用的是父類優(yōu)先的策略。這個(gè)策略的實(shí)現(xiàn)是封裝在 loadClass()方法中的。如果希望修改此策略，就需要覆寫 loadClass()方法。
下面的代碼給出了自定義的類加載的常見實(shí)現(xiàn)模式
- public class MyClassLoader extends ClassLoader {
- protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
- byte[] b = null; //查找或生成Java類的字節(jié)代碼
- return defineClass(name, b, 0, b.length);
- }
- }
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