Java类加载机制：从字节码到对象的奇妙之旅

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什么是类加载机制？

类加载顺序

类加载顺序图

双亲委派模型

双亲委派模型示意图

如何打破双亲委派模型？

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要想学好java，首先得知道它是什么，怎么运行的，怎么加载的，运行的是个什么东西，今天我写篇文章说一下，表演开始喽😄

Java是一门面向对象的编程语言，它的特点之一就是可以跨平台运行。为什么可以跨平台，因为Java程序不是直接编译成机器码，而是编译成一种中间格式的字节码（bytecode），然后由Java虚拟机（JVM）在不同的平台上解释执行。

那Java虚拟机是如何加载和执行字节码的？这就涉及到了Java类加载机制

什么是类加载机制？

类加载机制是Java虚拟机将字节码转换成可运行的类的过程。这个过程包括三个主要步骤：加载、链接和初始化​编辑

• 加载：就是将字节码文件从不同的来源（如本地文件系统、网络、内存等等）读取到虚拟机中，并创建一个对应的Class对象，用来表示这个类在内存中的数据结构。
• 连接：就是将加载后的Class对象进行验证、准备和解析三个阶段的处理，以保证类的正确性和完整性。其中包含了下面三个小步骤
  • 验证：就是检查元数据Class对象是否符合Java虚拟机规范。验证文件格式验证；验证字节码验证（确定程序语义合法，符合逻辑） ；验证符号引用验证（确保下一步的解析能正常执行）
  • 准备：就是为类中的静态变量分配内存，并赋予默认值。
    • 注意这时内存分配仅包括类变量static，不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在java堆中设置的是默认值，注意是默认值，比如static int=11，此时初始值是0，11是初始化才会赋值
    • 解析：就是将类中的符号引用替换为直接引用，即确定类中各个字段、方法、接口等的实际地址。
• 初始化：就是执行类中的静态初始化器和静态初始化程序，执行静态初始化程序，把静态变量初始化成指定的值；clinit()方法由编译器自动产生，收集类中static{}代码块中类变量赋值语句和类中静态成员变量的赋值语句。此时将会执行静态代码块和静态方法。

初始化过程的注意点

• clinit()方法中静态成员变量的赋值顺序是根据Java代码中静态成员变量的出现的顺序决定的。
• 静态代码块能访问出现在静态代码块之前的静态成员变量，无法访问出现在静态代码块之后的成员变量。
• 静态代码块能给出现在静态代码块之后的静态成员变量赋值。
• 如果一个类/接口中没有静态代码块，也没有静态成员变量的赋值操作，那么编译器就不会生成clinit()方法
• 接口中不能使用静态代码块
• 接口在执行clinit()方法前，虚拟机不会确保其父接口的clinit()方法被执行，只有当父接口中的静态成员变量被使用到时才会执行父接口的clinit()方法
• 虚拟机会给clinit()方法加锁，因此当多条线程同时执行某一个类的clinit()方法时，只有一个方法会被执行，其他的方法都被阻塞。并且，只要有一个clinit()方法执行完，其它的clinit()方法就不会再被执行。因此，在同一个类加载器下，同一个类只会被初始化一次。
• 非静态成员变量只有在实例化对象的时候才会分配内存并赋值，非静态成员变量随对象一起保存在堆中

下面的实例解释下，b可以赋值，c不可以，提示Illegal forward reference，因为c在代码块下面，也就是之后

类加载顺序

一般来说，类加载顺序遵循以下原则：

主动引用：当一个类被主动引用时，该类才会被加载。主动引用包括下面几种情况：

1. 创建类的实例，如new A()。
2. 调用类的静态方法，如A.method()。
3. 访问类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值，如A.field或A.field = value。
4. 反射调用类的方法或构造器，如Class.forName("A")或A.class.getDeclaredMethod("method")。
5. 初始化一个类的子类，如new B()，其中B是A的子类，这时候会先加载A。
6. 虚拟机启动时被标明为启动类的类，如java HelloWorld。

被动引用：当一个类被被动引用时，该类不会被加载。被动引用包括下面几种情况：

1. 访问或设置一个数组类型的静态变量，如A[] arr或A[].length。
2. 引用一个常量字段，如A.CONSTANT，其中CONSTANT是用final修饰的静态变量，并且在编译期已经确定了值。
3. 引用一个接口中定义的常量字段，如I.CONSTANT，其中CONSTANT是用public static final修饰的变量，并且在编译期已经确定了值。
4. 引用一个父类中定义的静态字段，如B.field，其中field是在A中定义的静态变量，而B是A的子类。

类加载顺序图

大家可以验证下，可能需要的示例太多这里先不举例了

双亲委派模型

双亲委派模型是Java类加载机制的一个重要特征，它决定了一个类由哪个类加载器（classLoader）来加载。类加载器是Java虚拟机的一个组件，它负责根据不同的策略来加载类。Java虚拟机提供了三种内置的类加载器：

• 启动类加载器：它是最顶层的类加载器，负责加载Java核心类库，如java.lang.*、java.util.*等，以及一些虚拟机相关的类，如sun.misc.*等。它不是一个Java类，而是由C++实现的一个本地方法。
• 扩展类加载器：它是启动类加载器的子类加载器，负责加载Java扩展类库，如javax.*等，以及一些第三方提供的扩展包，如JDBC驱动等。它是一个Java类，叫做sun.misc.Launcher$ExtClassLoader。
• 应用类加载器：它是扩展类加载器的子类加载器，它负责加载应用程序的类，如自定义的类或第三方提供的类库等。它也是一个Java类，叫做sun.misc.Launcher$AppClassLoader。

除了这三种内置的类加载器外，还可以自定义类加载器，只要继承java.lang.ClassLoader抽象类，并重写其中的findClass方法即可。自定义的类加载器通常会作为应用类加载器的子类加载器。

双亲委派模型的工作原理是：当一个类需要被加载时，首先会委托给其父类加载器去尝试加载，如果父类加载器无法加载，则再由自己去尝试加载。这样就形成了一个从下到上的委托链，最终由启动类加载器作为最后的尝试者。这样做的好处是可以避免重复或冲突的类被加载，保证了Java程序的安全性和稳定性。

双亲委派模型示意图

双亲委派模型的代码在java.lang.ClassLoader类中的loadClass函数中实现，其逻辑如下：

• 首先检查类是否被加载；
• 若未加载，则调用父类加载器的loadClass方法；
• 若该方法抛出ClassNotFoundException异常，表示父类加载器无法加载，则当前类加载器调用findClass加载类；
• 若父类加载器可以加载，则直接返回Class对象

如何打破双亲委派模型？

举个栗子🌰

public class MyClassLoader extends ClassLoader {@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {// 这里可以自定义类的加载方式，例如从文件系统加载类文件等return super.findClass(name);}
}

表演结束，谢谢大家😁，喜欢的别吝啬一个赞哈，谢了