看懂Class文件的装载流程

Class文件的加载过程

ClassLoader的工作模式

类的热加载

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1 Class文件的装载流程

只有被java虚拟机装载的Class类型才能在程序中使用（注意装载和加载的区别）

1.1 类装载的条件

Class只有在必须要使用的时候才会被装载，Java虚拟机不会无条件的装载Class类型。Java虚拟机规定：一个类或者接口在初次使用时，必须进行初始化。这里的使用指的是主动使用，主动使用有以下几种情况：

• 当创建一个类的实例时，比如使用new关键字，或者通过反射、克隆、反序列化。
• 当调用类的静态方法时，即当使用了字节码invokestatic指令
• 当使用类或者接口的静态字段时（final常量除外），即使用getstatic或者putstatic指令
• 当使用java.lang.reflect包中的方法反射类的方法时
• 当初始化子类时，必须先初始化父类
• 作为启动虚拟机、含有main方法的那个类

除了以上情况属于主动使用外，其他情况均属于被动使用，被动使用不会引起类的初始化。

例1：主动使用

public class Parent{

　　static{

　　　　System.out.println("Parent init");

　　}

}

public class Child{

　　static{

　　　　System.out.println("Child init");

　　}

}

public class InitMain{

　　public static void main(String[] args){

　　　　Child c = new Child();

　　}

}

以上声明了3个类：Parent Child InitMain，Child类为Parent类的子类。若Parent被初始化，根据代码中的static块可知，将会打印"Parent init"，若Child被初始化，则会打印"Child init"。执行InitMain，结果为：

Parent init

Child init

由此可知，系统首先装载Parent类，接着装载Child类。符合主动装载中的两个条件，使用new关键字创建类的实例会装载相关的类，以及在初始化子类时，必须先初始化父类。

例2 ：被动装载

public class Parent{

　　static{

　　　　System.out.println("Parent init ");

　　}

　　public static int v = 100; //静态字段

}

public class Child extends Parent{

　　static{

　　　　System.out.println("Child init");

　　}

}

public class UserParent{

　　public static void main(String[] args){

　　　　System.out.println(Child.v);

　　}

}

Parent中有静态变量v，并且在UserParent中，使用其子类Child去调用父类中的变量。

运行代码：

Parent init

100

虽然在UserParent中，直接访问了子类对象，但是Child子类并未初始化，只有Parent父类进行初始化。所以，在引用一个字段时，只有直接定义该字段的类，才会被初始化。

注意：虽然Child类没有被初始化，但是，此时Child类已经被系统加载，只是没有进入初始化阶段。

可以使用-XX:+ThraceClassLoading 参数运行这段代码，查看日志，便可以看到Child类确实被加载了，只是初始化没有进行

例3 ：引用final常量

public class FinalFieldClass{

　　public static final String constString = "CONST";

　　static{

　　　　System.out.println("FinalFieldClass init");

　　}

}

public class UseFinalField{

　　public static void main(String[] args){

　　　　System.out.println(FinalFieldClass.constString);

　　}

}

运行代码：CONST

FinalFieldClass类没有因为其常量字段constString被引用而初始化，这是因为在Class文件生成时，final常量由于其不变性，做了适当的优化。

分析UseFinalField类生成的Class文件，可以看到main函数的字节码为：

在字节码偏移3的位置，通过Idc将常量池第22项入栈，在此Class文件中常量池第22项为：

#22 = String        #23     //CONST

#23 = UTF8         CONST

由此可以看出，编译后的UseFinalField.class中，并没有引用FinalFieldClass类，而是将其final常量直接存放在常量池中，因此，FinalFiledClass类自然不会被加载。（javac在编译时，将常量直接植入目标类，不再使用被引用类）通过捕获类加载日志（部分日志）可以看出：

注意：并不是在代码中出现的类，就一定会被加载或者初始化，如果不符合主动使用的条件，类就不会被初始化。

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1.2 类装载的整个过程

1）加载类

加载类处于类装载的第一个阶段。

加载类时，JVM必须完成：

• 通过类的全名，获取类的二进制数据流
• 解析类的二进制数据流为方法区内的数据结构
• 创建java.lang.Class类的实例，表示该类型

2）连接

1 验证类：

当类被加载到系统后，就开始连接操作，验证是连接的第一步。

主要目的是保证加载的字节码是符合规范的。验证的步骤如图：

2 准备

当一个类验证通过后，虚拟机就会进入准备阶段，在这个阶段，虚拟机会为这个类分配相应的内存空间，并设置初始值。

java虚拟机为各种类型变量默认的初始值如表：

类型	默认初始值
int	0
long	0L
short	(short)0
char	\u0000
boolean	false
reference	null
float	0f
double	0f

注意：java并不支持boolean类型，对于boolean类型，内部实现是Int，由于int的默认值是0，故对应的，boolean的默认值是false

如果类属于常量字段，那么常量字段也会在准备阶段被附上正确的值，这个赋值属于java虚拟机的行为，属于变量的初始化。事实上，在准备阶段，不会有任何java代码被执行。

3 解析类

在准备阶段完成后，就进入了解析阶段。

解析阶段的任务就是将类、接口、字段和方法的符号引用转为直接引用。

符号引用就是一些字面量的引用，和虚拟机的内部数据结构和内存布局无关。比较容易理解的就是在Class类文件中，通过常量池进行大量的符号引用。

具体可以使用JclassLib软件查看Class文件的结构：：：

3）初始化

初始化时类装载的最后一个阶段。如果前面的步骤没有出现问题，那么表示类可以顺利装载到系统中。此时，类才会开始执行java字节码。

初始化阶段的重要工作是执行类的初始化方法<clinit>。方法<clinit>是由编译器自动生成的，它是由类静态成员的赋值语句以及static语句块合并产生的。

例如：

public class SimpleStatic{

　　public static int id = 1;

　　public static int number;

　　static{

　　　　number = 4;

　　}

}

java编译器为这段代码生成如下的<clinit>:

0 iconst_1
1 putstatic #2 <Demo.id>
4 iconst_4
5 putstatic #3 <Demo.number>
8 return

可以看出，生成的<clinit>函数中，整合了SimpleStatic类中的static赋值语句以及static语句块，先后对id和number两个成员变量进行赋值

由于在加载一个类之前，虚拟机总是会试图加载该类的父类，因此父类的<clinit>总是在子类<clinit>之前被调用。也就是说，子类的static块优先级高于父类。

public class ChildStatic extends Demo{
　　static{
　　　　number = 2;
　　}
　　public static void main(String[] args){
　　　　System.out.println(number);
　　}
}

运行可知：

2

说明父类的<clinit>总是在子类<clinit>之前被调用。

注意：java编译器并不是为所有的类都产生<clinit>初始化函数，如果一个类既没有赋值语句，也没有static语句块，那么生成的<clinit>函数就应该为空，因此，编译器就不会为该类插入<clinit>函数

例如：

public class StaticFinalClass{

　　public static final int i=1;

　　public static final int j=2;

}

由于StaticFinalClass只有final常量，而final常量在准备阶段初始化，而不在初始化阶段处理，因此对于StaticFinalClass类来说，<clinit>就无事可做，因此，在产生的class文件中没有该函数存在。