一、Java類加載機(jī)制

1．概述

Class文件由類裝載器裝載后，在JVM中將形成一份描述Class結(jié)構(gòu)的元信息對(duì)象，通過該元信息對(duì)象可以獲知Class的結(jié)構(gòu)信息：如構(gòu)造函數(shù)，屬性和方法等，Java允許用戶借由這個(gè)Class相關(guān)的元信息對(duì)象間接調(diào)用Class對(duì)象的功能。

虛擬機(jī)把描述類的數(shù)據(jù)從class文件加載到內(nèi)存，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，轉(zhuǎn)換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機(jī)直接使用的Java類型，這就是虛擬機(jī)的類加載機(jī)制。

2．工作機(jī)制

類裝載器就是尋找類的字節(jié)碼文件，并構(gòu)造出類在JVM內(nèi)部表示的對(duì)象組件。在Java中，類裝載器把一個(gè)類裝入JVM中，要經(jīng)過以下步驟：

(1) 裝載：查找和導(dǎo)入Class文件；

(2) 鏈接：把類的二進(jìn)制數(shù)據(jù)合并到JRE中；

(a)校驗(yàn)：檢查載入Class文件數(shù)據(jù)的正確性；

(b)準(zhǔn)備：給類的靜態(tài)變量分配存儲(chǔ)空間；

(c)解析：將符號(hào)引用轉(zhuǎn)成直接引用；

(3) 初始化：對(duì)類的靜態(tài)變量，靜態(tài)代碼塊執(zhí)行初始化操作

Java程序可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展是由運(yùn)行期動(dòng)態(tài)加載和動(dòng)態(tài)鏈接實(shí)現(xiàn)的；比如：如果編寫一個(gè)使用接口的應(yīng)用程序，可以等到運(yùn)行時(shí)再指定其實(shí)際的實(shí)現(xiàn)(多態(tài))，解析過程有時(shí)候還可以在初始化之后執(zhí)行；比如：動(dòng)態(tài)綁定(多態(tài))；

【類初始化】

(1) 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic這4條字節(jié)碼指令時(shí)，如果類沒有進(jìn)行過初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。生成這4條指令的最常見的Java代碼場(chǎng)景是：使用new關(guān)鍵字實(shí)例化對(duì)象的時(shí)候，讀取或設(shè)置一個(gè)類的靜態(tài)字段（被final修飾、已在編譯期把結(jié)果放入常量池的靜態(tài)字段除外）的時(shí)候，以及調(diào)用一個(gè)類的靜態(tài)方法的時(shí)候。

(2) 使用java.lang.reflect包的方法對(duì)類進(jìn)行反射調(diào)用的時(shí)候，如果類沒有進(jìn)行過初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。

(3) 當(dāng)初始化一個(gè)類的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)其父類還沒有進(jìn)行過初始化，則需要先觸發(fā)其父類的初始化。

(4)當(dāng)虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，用戶需要指定一個(gè)要執(zhí)行的主類（包含main()方法的那個(gè)類），虛擬機(jī)會(huì)先初始化這個(gè)主類。

只有上述四種情況會(huì)觸發(fā)初始化，也稱為對(duì)一個(gè)類進(jìn)行主動(dòng)引用，除此以外，所有其他方式都不會(huì)觸發(fā)初始化，稱為被動(dòng)引用

代碼清單1

上述代碼運(yùn)行后，只會(huì)輸出【---SuperClass init】, 而不會(huì)輸出【SubClass init】,對(duì)于靜態(tài)字段，只有直接定義這個(gè)字段的類才會(huì)被初始化,因此，通過子類來調(diào)用父類的靜態(tài)字段，只會(huì)觸發(fā)父類的初始化,但是這是要看不同的虛擬機(jī)的不同實(shí)現(xiàn)。

代碼清單2

此處不會(huì)引起SuperClass的初始化，但是卻觸發(fā)了【[Ltest.SuperClass】的初始化，通過arr.toString()可以看出，對(duì)于用戶代碼來說，這不是一個(gè)合法的類名稱，它是由虛擬機(jī)自動(dòng)生成的，直接繼承于Object的子類，創(chuàng)建動(dòng)作由字節(jié)碼指令newarray觸發(fā),此時(shí)數(shù)組越界檢查也會(huì)伴隨數(shù)組對(duì)象的所有調(diào)用過程，越界檢查并不是封裝在數(shù)組元素訪問的類中，而是封裝在數(shù)組訪問的xaload,xastore字節(jié)碼指令中.

代碼清單3

對(duì)常量ConstClass.value 的引用實(shí)際都被轉(zhuǎn)化為NotInitialization類對(duì)自身常量池的引用，這兩個(gè)類被編譯成class后不存在任何聯(lián)系。

【裝載】

在裝載階段，虛擬機(jī)需要完成以下3件事情

(1) 通過一個(gè)類的全限定名來獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流

(2) 將這個(gè)字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(3) 在Java堆中生成一個(gè)代表這個(gè)類的java.lang.Class對(duì)象，作為方法區(qū)這些數(shù)據(jù)的訪問入口。

虛擬機(jī)規(guī)范中并沒有準(zhǔn)確說明二進(jìn)制字節(jié)流應(yīng)該從哪里獲取以及怎樣獲取,這里可以通過定義自己的類加載器去控制字節(jié)流的獲取方式。

【驗(yàn)證】

虛擬機(jī)如果不檢查輸入的字節(jié)流，對(duì)其完全信任的話，很可能會(huì)因?yàn)檩d入了有害的字節(jié)流而導(dǎo)致系統(tǒng)奔潰。

【準(zhǔn)備】

準(zhǔn)備階段是正式為類變量分配并設(shè)置類變量初始值的階段，這些內(nèi)存都將在方法區(qū)中進(jìn)行分配,需要說明的是：

這時(shí)候進(jìn)行內(nèi)存分配的僅包括類變量(被static修飾的變量),而不包括實(shí)例變量,實(shí)例變量將會(huì)在對(duì)象實(shí)例化時(shí)隨著對(duì)象一起分配在Java堆中;這里所說的初始值“通常情況”是數(shù)據(jù)類型的零值，假如:

public static int value = 123;

value在準(zhǔn)備階段過后的初始值為0而不是123,而把value賦值的putstatic指令將在初始化階段才會(huì)被執(zhí)行

二、類加載器與雙親委派模型

類加載器

(1) Bootstrap ClassLoader : 將存放于\lib目錄中的，或者被-Xbootclasspath參數(shù)所指定的路徑中的，并且是虛擬機(jī)識(shí)別的（僅按照文件名識(shí)別，如 rt.jar 名字不符合的類庫(kù)即使放在lib目錄中也不會(huì)被加載）類庫(kù)加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中。啟動(dòng)類加載器無法被Java程序直接引用

(2) Extension ClassLoader : 將\lib\ext目錄下的，或者被java.ext.dirs系統(tǒng)變量所指定的路徑中的所有類庫(kù)加載。開發(fā)者可以直接使用擴(kuò)展類加載器。

(3) Application ClassLoader : 負(fù)責(zé)加載用戶類路徑(ClassPath)上所指定的類庫(kù),開發(fā)者可直接使用。

雙親委派模型

工作過程：如果一個(gè)類加載器接收到了類加載的請(qǐng)求，它首先把這個(gè)請(qǐng)求委托給他的父類加載器去完成，每個(gè)層次的類加載器都是如此，因此所有的加載請(qǐng)求都應(yīng)該傳送到頂層的啟動(dòng)類加載器中，只有當(dāng)父加載器反饋?zhàn)约簾o法完成這個(gè)加載請(qǐng)求（它在搜索范圍中沒有找到所需的類）時(shí)，子加載器才會(huì)嘗試自己去加載。

好處：java類隨著它的類加載器一起具備了一種帶有優(yōu)先級(jí)的層次關(guān)系。例如類java.lang.Object，它存放在rt.jar中，無論哪個(gè)類加載器要加載這個(gè)類，最終都會(huì)委派給啟動(dòng)類加載器進(jìn)行加載，因此Object類在程序的各種類加載器環(huán)境中都是同一個(gè)類。相反，如果用戶自己寫了一個(gè)名為java.lang.Object的類，并放在程序的Classpath中，那系統(tǒng)中將會(huì)出現(xiàn)多個(gè)不同的Object類，java類型體系中最基礎(chǔ)的行為也無法保證，應(yīng)用程序也會(huì)變得一片混亂。

java.lang.ClassLoader中幾個(gè)最重要的方法:

//加載指定名稱（包括包名）的二進(jìn)制類型，供用戶調(diào)用的接口

public Class loadClass(String name);

//加載指定名稱（包括包名）的二進(jìn)制類型，同時(shí)指定是否解析（但是，這里的resolve參數(shù)不一定真正能達(dá)到解析的效果），供繼承用

protected synchronized Class loadClass(String name, boolean resolve);

protected Class findClass(String name)

//定義類型，一般在findClass方法中讀取到對(duì)應(yīng)字節(jié)碼后調(diào)用，可以看出不可繼承（說明：JVM已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的具體功能，解析對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)放置到方法區(qū)，所以無需覆寫，直接調(diào)用就可以了）

protected final Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) throws ClassFormatError{}

ClassFormatError{}如下是實(shí)現(xiàn)雙親委派模型的主要代碼：

三、反射

Reflection機(jī)制允許程序在正在執(zhí)行的過程中，利用Reflection APIs取得任何已知名稱的類的內(nèi)部信息，包括：package、 type parameters、 superclass、 implemented interfaces、 inner classes、 outer classes、 fields、 constructors、 methods、 modifiers等，并可以在執(zhí)行的過程中，動(dòng)態(tài)生成instances、變更fields內(nèi)容或喚起methods。

1、獲取構(gòu)造方法

Class類提供了四個(gè)public方法，用于獲取某個(gè)類的構(gòu)造方法。

Constructor getConstructor(Class[] params)

根據(jù)構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)，返回一個(gè)具體的具有public屬性的構(gòu)造函數(shù)

Constructor getConstructors()

返回所有具有public屬性的構(gòu)造函數(shù)數(shù)組

Constructor getDeclaredConstructor(Class[] params)

根據(jù)構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)，返回一個(gè)具體的構(gòu)造函數(shù)（不分public和非public屬性）

Constructor getDeclaredConstructors()

返回該類中所有的構(gòu)造函數(shù)數(shù)組（不分public和非public屬性）

2、獲取類的成員方法

與獲取構(gòu)造方法的方式相同，存在四種獲取成員方法的方式。

Method getMethod(String name, Class[] params)

根據(jù)方法名和參數(shù)，返回一個(gè)具體的具有public屬性的方法

Method[] getMethods()

返回所有具有public屬性的方法數(shù)組

Method getDeclaredMethod(String name, Class[] params)

根據(jù)方法名和參數(shù)，返回一個(gè)具體的方法（不分public和非public屬性）

Method[] getDeclaredMethods()

返回該類中的所有的方法數(shù)組（不分public和非public屬性）

3、獲取類的成員變量（成員屬性）

存在四種獲取成員屬性的方法

Field getField(String name)

根據(jù)變量名，返回一個(gè)具體的具有public屬性的成員變量

Field[] getFields()

返回具有public屬性的成員變量的數(shù)組

Field getDeclaredField(String name)

根據(jù)變量名，返回一個(gè)成員變量（不分public和非public屬性）

Field[] getDelcaredFields()

返回所有成員變量組成的數(shù)組（不分public和非public屬性）