0.类加载机制知识体系

1.类与JVM进程

使用Java命令运行某个Java程序时，此命令会启动一个Java虚拟机进程，不管Java程序多复杂，开启了多少个线程，这个线程都运行在Java虚拟机进程里。同一个JVM的所有线程、所有变量都处于同一个进程里，都使用该JVM进程的内存区。

只有出现下列情况时，JVM进程才会终止：

1）程序正常结束。

2）程序执行到代码System.exit()或Runtime.getRuntime().exit()。

3）程序执行过程中遇到未捕获的异常或错误。

4）程序所在平台强制结束JVM进程。

如上介绍，当Java程序运行结束时，JVM进程结束，该进程在内存中的状态将会丢失。

如下代码可以看出：

class StaticValue {
	public static int val = 6;
}

public class ProcessTestA{
	//一个JVM进程
	public static void main(String[] args){
		StaticValue sv1 = new StaticValue();
		sv1.val++;
		System.out.println(sv1.val);
	}
}

public class ProcessTestB{
	//另一个JVM进程
	public static void main(String[] args){
		StaticValue sv2 = new StaticValue();
		System.out.println(sv2.val);
	}
}

1.类加载、连接和初始化过程

当程序主动使用某个类时，如果该类还未被加载到内存中，则系统会通过加载、连接、初始化3个步骤对该类进行初始化。如果没有意外发生，JVM将会连续完成这3个步骤，故有时也把此3步骤统称为类加载或类初始化。

1）类加载

加载器通常无须等到“首次使用”该类时才加载该类，JVM允许系统预先加载某些类，如String。

当类被加载之后，系统为之生成一个对应的Class对象，接着就会进入连接阶段。

2）类连接

（1）验证

（2）准备

（3）解析

将类的二进制数据中的符号引用替换成直接引用。

3）类初始化

（1）初始化过程

public class InitTest {
	static{
		//2.使用静态初始化块为b初始化值
		b = 32;
	}
	//1.声明变量时指定初始值
	public static int a = 23;
	public static int b;
	//3.没有指定初始值，使用的默认初始值
	public static int c;
	public static void main(String[] args){
		System.out.println(a + " " + b + " " + c);
	}
}

声明变量时指定初始值，静态初始化块都将被当成类的初始化语句 ，JVM会这个语句在程序中的排列顺序依次执行他们。如下

public class InitTest {
	static{
		b = 32;
		System.out.println("b初始化完成！");
	}
	public static int a = 23;
	public static int b;
	public static int c;
	public static void main(String[] args){
		System.out.println(a + " " + b + " " + c);
	}
}

a. 假如此类没有被加载连接，则程序先加载并连接该类。

b. 假如该类的直接父类还没有初始化，则先初始化其直接父类。

c. 假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句。

当执行到第2个步骤时，系统对直接父类的初始化步骤也遵循此步骤1-3；如果该直接父类又有直接父类，则系统再次重复这3步骤来初始化父类...所以JVM最先初始化的总是java.lang.Object类。当程序主动使用任何一个类，系统会保证该类以及所有父类（包括直接父类和间接父类）都会被初始化。 

（2）类初始化时机

class Constant{
	static{
		System.out.println("该类正在初始化...");
	}
	public static final int luckNum = 23;
}
public class ConstantTest {

	public static void main(String[] args) 
	{
		System.out.println(Constant.luckNum);//只输出23，因为luckNum当成宏变量处理。
	}
}

class Constant{
	static{
		System.out.println("该类正在初始化...");
	}
	public static final int luckNum = (int)System.currentTimeMillis();
}
public class ConstantTest {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(Constant.luckNum);//输出句子
	}
}

class TargetClass{
	static{
		System.out.println("正在初加载！");
	}
}
public class ClassLoaderTest {
	public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException{
		ClassLoader c = ClassLoader.getSystemClassLoader();
		c.loadClass("TargetClass");//不会完成类的初始化
		System.out.println("loadClass Finished");
		Class.forName("TargetClass");//完成类的初始化
	}
}

2.类加载器

1）类加载器简介

Java中的对象有唯一的标识，每个载入JVM的类也有唯一的标识。Java中是其全限定类名（包名和类名）作为标识，而在JVM中，一个类用其全限定类名和其类加载器作为其唯一标识。如：Person类在pg包中，被类加载器ClassLoader的对象cl负责加载，则该类对应的Class对象在JVM中表示为(Person、pg、cl）。

（1）根类加载器：Bootstrap ClassLoader

import java.net.URL;

public class BootstrapTest {
	public static void main(String[] args){
		
		URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
		for(int i = 0; i < urls.length; i++){
			System.out.println(urls[i].toExternalForm());
		}
	}
}

（2）扩展类加载器：Extension ClassLoader

（3）系统类加载器：System ClassLoader

System ClassLoader被称为系统（应用）类加载器，它负责在JVM启动时加载来自java命令-classpath选项、java.class.path系统属性，或CLASSPATH环境变量所指定的JAR包和类路径。程序可以通过ClassLoader的静态方法getSystemClassLoader()获取系统类加载器。如果没有特别指定，则用户自定义类加载器都此类加载器作为父加载器。

2）类加载器工作机制

JVM的类加载器工作机制主要有以下3种：

（1）全盘负责

所谓全盘负责，就是当一个类加载器负责加载某个class时，该Class所依赖的和引用的其它Class也将由该类加载器负责载入，除非显式使用另一个类加载器来载入。

（2）父类委托

所谓父类委托，则是让parent（父）类加载器试图加载该Class，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类。

（3）缓存机制

缓存机制将保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时类加载器先从缓存中搜寻该Class，只有当缓存中不存在该Class对象时，系统才会读取该类所对应的二进制数据并将其转换成Class对象，存入缓存区中，这也就是为什么修改了Class后必须要重新启动JVM，程序所做的修改才会生效。 除了Java提供的类加载器之外，用户可以实现自己的类加载器，自定义的类加载器通过继承ClassLoader实现。

下面程序说明如何访问JVM中的类加载器。

import java.net.URL;
import java.util.Enumeration;
import java.io.IOException;

public class ClassLoaderTest 
{
	public static void main(String[] args) throws IOException
	{
		//获取系统类加载器
		ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();
		System.out.println(cl);
		/*
			获取系统类加载器的加载路径--通常是由CLASSPATH环境变量指定。如果操作系统没有指定CLASSPATH环境变量，
			默认以当前路径作为系统加载器的加载路径。
		*/
		Enumeration<URL> emurl = cl.getResources("");
		while(emurl.hasMoreElements()){
			System.out.println(emurl.nextElement());
		}
		//获取系统类加载器的父类加载器，得到扩展类加载器
		ClassLoader extLoader = cl.getParent();
		System.out.println("扩展类加载器：" + extLoader);
		System.out.println("扩展类加载器的加载路径：" + System.getProperty("java.ext.dirs"));
		System.out.println("扩展类加载器的parent：" + extLoader.getParent());
	}
}

第6、6步允许重写ClassLoader的findClass()方法来实现自己的载入策略，甚至重写loadClass()方法实现自己的载入过程。

3）创建并使用自定义的类加载器

Java中除根类加载器之外的所有的类加载器都是ClassLoader子类的实例，开发者可以通过扩展ClassLoader子类，并重写ClassLoader所包含的方法来实现自定义的类加载器。ClassLoader中包含大量protected方法，这些方法都可被子类重写。

（1）ClassLoader两个关键方法

ClassLoader类有如下两个关键方法：

a. loadClass(String name,boolean resolve)：该方法是ClassLoader的入口点，根据指定的二进制名称来加载类，系统就是调用ClassLoader的该方法来获取指定类对应的Class对象。

b. findClass(String name)：根据二进制名称来查找类。

如果需要实现自定义的ClassLoader，则可以通过重写以上两个方法来实现，推荐重写findClass()方法而不是loadClass()方法。

（2）loadClass()方法的执行步骤

a. 用findLoadedClass(String)：检查是否已经加载类，如果已经加载则直接返回。

b. 在父类加载器上调用loadClass()方法。如果父类加载器为null，则使用根类加载器来加载。

c. 调用findClass(String)方法查找类。

从上面步骤中可以看出，重写findClass()方法可以避免覆盖默认类加载器的父类委托、缓冲机制两种策略；如果重写loadClass()方法，则实现逻辑更为复杂。

在ClassLoader里还有一个核心方法：Clss defineClass(String name,byte[] b,int off,int len)，该方法负责将指定类的字节码文件（即Class文件）读入字节数组byte[] b内，并将它转换成Class对象，该字节码文件可以来源于文件或网络等。

defineClass()方法管理JVM的许多复杂实现，它负责将字节码分成运行时数据结构，并校验有效性，该方法不能重写，因为是final型。

（3）ClassLoader中普通方法

（1）findSystemClass(String name)：从本地文件系统装入文件。它在本地文件系统中寻找类文件，如果存在，就使用defineClass()方法将原始字节转换成Class对象，以将该文件转换成类。

（2）static getSystemClassLoader()：静态方法，用于返回系统类加载器。

（3）getParent()：获取该类加载器的父类加载器。

（4）resolveClass(Class<?> C)：链接指定的类。类加载器可以使用此方法来链接类c。

（5）findLoadedClass(String name)：如果此java虚拟机已加载了名为name的类，则直接返回该类对应的Class实例，否则返回null。该方法是java类加载缓存机制的体现。

4）URLClassLoader类