基礎(chǔ)介紹

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 的對象。一個Java類從字節(jié)代碼到能夠在JVM中被使用，需要經(jīng)過加載、鏈接和初始化這三個步驟。這三個步驟中，對開發(fā)人員直接可見的是Java類的加 載，通過使用Java類加載器（class loader）可以在運(yùn)行時刻動態(tài)的加載一個Java類；而鏈接和初始化則是在使用Java類之前會發(fā)生的動作。本文會詳細(xì)介紹Java類的加載、鏈接和 初始化的過程。

Java類的加載

Java類的加載是由類加載器來完成的。一般來說，類加載器分成兩類：啟動類加載器（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），它用來啟動Java應(yīng)用程序的加載。通過java.lang.ClassLoader的getSystemClassLoader()方法可以獲取到該類加載器對象。

一般的類加載器在嘗試自己去加載某個Java類之前，會首先代理給其父類加載器。當(dāng)父類加載器找不到的時候，才會嘗試自己加載。這個邏輯是封裝在java.lang.ClassLoader類的 loadClass() 方法中的。一般來說，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Web應(yīng)用都提供一個獨(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)兩個類的定義類加載器。只有兩者完全一樣，才認(rèn)為兩個類的是相同的。因此，即便是同樣的Java字節(jié)代碼，被兩個不同的類加載器定義之后，所得到的Java類也是不同的。如果試圖在兩個類的對象之間進(jìn)行賦值操作，會拋出java.lang.ClassCastException。這個特性為同樣名稱的Java類在JVM中共存創(chuàng)造了條件。在實(shí)際的應(yīng)用中，可能會要求同一名稱的Java類的不同版本在JVM中可以同時存在。通過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)之中的過程。在鏈接之前，這個類必須被成功加載。類的鏈接包括驗證、準(zhǔn)備和解析等幾個步驟。驗證是用來確保Java類的二進(jìn)制表示在結(jié)構(gòu)上是完全正確的。如果驗證過程出現(xiàn)錯誤的話，會拋出java.lang.VerifyError錯 誤。準(zhǔn)備過程則是創(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)備過程并不會執(zhí)行代碼。在一個Java類中會包含對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。解析的過程就是確保這些被引用的類能被正確的找到。解析的過程可能會導(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形式引 用真正需要的時候才進(jìn)行解析。也就是說如果一個Java類只是被引用了，但是并沒有被真正用到，那么這個類有可能就不會被解析?？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，程序不會拋出錯誤。這是因為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類不會被加載，因此也不會發(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，就會拋出異常了。因為這個時候ToBeLinked這個類被真正使用到了，會需要加載這個類。

Java類的初始化

當(dāng)一個Java類第一次被真正使用到的時候，JVM會進(jìn)行該類的初始化操作。初始化過程的主要操作是執(zhí)行靜態(tài)代碼塊和初始化靜態(tài)域。在一個類被初始 化之前，它的直接父類也需要被初始化。但是，一個接口的初始化，不會引起其父接口的初始化。在初始化的時候，會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，在初始化的時候，靜態(tài)域的初始化和靜態(tài)代碼塊的執(zhí)行會從上到下依次執(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類和接口的初始化只有在特定的時機(jī)才會發(fā)生，這些時機(jī)包括：
1、創(chuàng)建一個Java類的實(shí)例。如

MyClass obj = new MyClass()

2、調(diào)用一個Java類中的靜態(tài)方法。如

MyClass.sayHello()

3、給Java類或接口中聲明的靜態(tài)域賦值。如

MyClass.value = 10

4、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

5、在頂層Java類中執(zhí)行assert語句。

通過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Java類或接口中的靜態(tài)域的時候，只有真正聲明這個域的類或接口才會被初始化?？紤]下面的代碼：

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會被初始化，而類A則不會被初始化。

創(chuàng)建自己的類加載器

在 Java應(yīng)用開發(fā)過程中，可能會需要創(chuàng)建應(yīng)用自己的類加載器。典型的場景包括實(shí)現(xiàn)特定的Java字節(jié)代碼查找方式、對字節(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，下面介紹幾個創(chuàng)建類加載器時需要考慮的：

defineClass()：這個方法用來完成從Java字節(jié)代碼的字節(jié)數(shù)組到j(luò)ava.lang.Class的轉(zhuǎn)換。這個方法是不能被覆寫的，一般是用原生代碼來實(shí)現(xiàn)的。

findLoadedClass()：這個方法用來根據(jù)名稱查找已經(jīng)加載過的Java類。一個類加載器不會重復(fù)加載同一名稱的類。

findClass()：這個方法用來根據(jù)名稱查找并加載Java類。

loadClass()：這個方法用來根據(jù)名稱加載Java類。

resolveClass()：這個方法用來鏈接一個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，在Java類的鏈接過程中，會需要對Java類進(jìn)行解析，而解 析可能會導(dǎo)致當(dāng)前Java類所引用的其它Java類被加載。在這個時候，JVM就是通過調(diào)用當(dāng)前類的定義類加載器的loadClass()方法來加載其它 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()方法來添加自定義的類加載邏輯。 loadClass()方法的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)會負(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);   
   }
}