Java 程序創(chuàng)建過(guò)程

　　從 class 文件到內(nèi)存中的類，按先后順序需要經(jīng)過(guò)加載、鏈接以及初始化三大步驟。其中，鏈接過(guò)程中同樣需要驗(yàn)證;而內(nèi)存中的類沒(méi)有經(jīng)過(guò)初始化，同樣不能使用。那么，是否所有的 Java 類都需要經(jīng)過(guò)這幾步呢?

　　我們知道 Java 語(yǔ)言的類型可以分為兩大類：基本類型(primitive types)和引用類型(reference types)。在上一篇中，我已經(jīng)詳細(xì)介紹過(guò)了 Java 的基本類型，它們是由 Java 虛擬機(jī)預(yù)先定義好的。

　　至于另一大類引用類型，Java 將其細(xì)分為四種：類、接口、數(shù)組類和泛型參數(shù)。由于泛型參數(shù)會(huì)在編譯過(guò)程中被擦除(我會(huì)在專欄的第二部分詳細(xì)介紹)，因此 Java 虛擬機(jī)實(shí)際上只有前三種。在類、接口和數(shù)組類中，數(shù)組類是由 Java 虛擬機(jī)直接生成的，其他兩種則有對(duì)應(yīng)的字節(jié)流。

　　說(shuō)到字節(jié)流，最常見的形式要屬由 Java 編譯器生成的 class 文件。除此之外，我們也可以在程序內(nèi)部直接生成，或者從網(wǎng)絡(luò)中獲取(例如網(wǎng)頁(yè)中內(nèi)嵌的小程序 Java applet)字節(jié)流。這些不同形式的字節(jié)流，都會(huì)被加載到 Java 虛擬機(jī)中，成為類或接口。為了敘述方便，下面我就用“類”來(lái)統(tǒng)稱它們。

　　無(wú)論是直接生成的數(shù)組類，還是加載的類，Java 虛擬機(jī)都需要對(duì)其進(jìn)行鏈接和初始化。

　　其實(shí)，Java 虛擬機(jī)將字節(jié)流轉(zhuǎn)化為 Java 類的過(guò)程，就是我們常說(shuō)的Java類的創(chuàng)建過(guò)程。這個(gè)過(guò)程可分為加載、鏈接以及初始化三大步驟：

　　1.加載是指查找字節(jié)流，并且據(jù)此創(chuàng)建類的過(guò)程。加載需要借助類加載器，在 Java 虛擬機(jī)中，類加載器使用了雙親委派模型，即接收到加載請(qǐng)求時(shí)，會(huì)先將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給父類加載器。

　　2.鏈接，是指將創(chuàng)建成的類合并至 Java 虛擬機(jī)中，使之能夠執(zhí)行的過(guò)程。鏈接還分驗(yàn)證、準(zhǔn)備和解析三個(gè)階段。其中，解析階段為非必須的。

　　3.初始化，則是為標(biāo)記為常量值的字段賦值，以及執(zhí)行 < clinit > 方法的過(guò)程。類的初始化僅會(huì)被執(zhí)行一次，這個(gè)特性被用來(lái)實(shí)現(xiàn)單例的延遲初始化。

　　3.Java 程序加載過(guò)程

　　從虛擬機(jī)視角來(lái)看，執(zhí)行 Java 代碼首先需要將它編譯而成的 class 文件加載到 Java 虛擬機(jī)中。加載后的 Java 類會(huì)被存放于方法區(qū)(Method Area)中。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)執(zhí)行方法區(qū)內(nèi)的代碼。

　　如果你熟悉 X86 的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這和段式內(nèi)存管理中的代碼段類似。而且，Java 虛擬機(jī)同樣也在內(nèi)存中劃分出堆和棧來(lái)存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)。

　　不同的是，Java 虛擬機(jī)會(huì)將棧細(xì)分為面向 Java 方法的 Java 方法棧，面向本地方法(用 C++ 寫的 native 方法)的本地方法棧，以及存放各個(gè)線程執(zhí)行位置的 PC 寄存器。

　　在運(yùn)行過(guò)程中，每當(dāng)調(diào)用進(jìn)入一個(gè) Java 方法，Java 虛擬機(jī)會(huì)在當(dāng)前線程的 Java 方法棧中生成一個(gè)棧幀，用以存放局部變量以及字節(jié)碼的操作數(shù)。這個(gè)棧幀的大小是提前計(jì)算好的，而且 Java 虛擬機(jī)不要求棧幀在內(nèi)存空間里連續(xù)分布。

　　當(dāng)退出當(dāng)前執(zhí)行的方法時(shí)，不管是正常返回還是異常返回，Java 虛擬機(jī)均會(huì)彈出當(dāng)前線程的當(dāng)前棧幀，并將之舍棄。

　　從硬件視角來(lái)看，Java 字節(jié)碼無(wú)法直接執(zhí)行。因此，Java 虛擬機(jī)需要將字節(jié)碼翻譯成機(jī)器碼。

　　啟動(dòng)類加載器是由 C++ 實(shí)現(xiàn)的，沒(méi)有對(duì)應(yīng)的 Java 對(duì)象，因此在 Java 中只能用 null 來(lái)指代。

　　除了啟動(dòng)類加載器之外，其他的類加載器都是 java.lang.ClassLoader 的子類，因此有對(duì)應(yīng)的 Java 對(duì)象。這些類加載器需要先由另一個(gè)類加載器，比如說(shuō)啟動(dòng)類加載器，加載至 Java 虛擬機(jī)中，方能執(zhí)行類加載。

　　在 Java 虛擬機(jī)中，這個(gè)潛規(guī)則有個(gè)特別的名字，叫雙親委派模型。每當(dāng)一個(gè)類加載器接收到加載請(qǐng)求時(shí)，它會(huì)先將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給父類加載器。在父類加載器沒(méi)有找到所請(qǐng)求的類的情況下，該類加載器才會(huì)嘗試去加載。

　　在 Java 9 之前，啟動(dòng)類加載器負(fù)責(zé)加載最為基礎(chǔ)、最為重要的類，比如存放在 JRE 的 lib 目錄下 jar 包中的類(以及由虛擬機(jī)參數(shù) -Xbootclasspath 指定的類)。除了啟動(dòng)類加載器之外，另外兩個(gè)重要的類加載器是擴(kuò)展類加載器(extension class loader)和應(yīng)用類加載器(application class loader)，均由 Java 核心類庫(kù)提供。

　　擴(kuò)展類加載器的父類加載器是啟動(dòng)類加載器。它負(fù)責(zé)加載相對(duì)次要、但又通用的類，比如存放在 JRE 的 lib/ext 目錄下 jar 包中的類(以及由系統(tǒng)變量 java.ext.dirs 指定的類)。

　　應(yīng)用類加載器的父類加載器則是擴(kuò)展類加載器。它負(fù)責(zé)加載應(yīng)用程序路徑下的類。(這里的應(yīng)用程序路徑，便是指虛擬機(jī)參數(shù) -cp/-classpath、系統(tǒng)變量 java.class.path 或環(huán)境變量 CLASSPATH 所指定的路徑。)默認(rèn)情況下，應(yīng)用程序中包含的類便是由應(yīng)用類加載器加載的。

　　Java 9 引入了模塊系統(tǒng)，并且略微更改了上述的類加載器1。擴(kuò)展類加載器被改名為平臺(tái)類加載器(platform class loader)。Java SE 中除了少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵模塊，比如說(shuō) java.base 是由啟動(dòng)類加載器加載之外，其他的模塊均由平臺(tái)類加載器所加載。

　　除了由 Java 核心類庫(kù)提供的類加載器外，我們還可以加入自定義的類加載器，來(lái)實(shí)現(xiàn)特殊的加載方式。舉例來(lái)說(shuō)，我們可以對(duì) class 文件進(jìn)行加密，加載時(shí)再利用自定義的類加載器對(duì)其解密。

　　除了加載功能之外，類加載器還提供了命名空間的作用。在 Java 虛擬機(jī)中，類的唯一性是由類加載器實(shí)例以及類的全名一同確定的。即便是同一串字節(jié)流，經(jīng)由不同的類加載器加載，也會(huì)得到兩個(gè)不同的類。在大型應(yīng)用中，我們往往借助這一特性，來(lái)運(yùn)行同一個(gè)類的不同版本。

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