Java 类的加载、连接和初始化详解Java 类的加载、连接和初始化

时间:2021-04-22 认真对待世界的小白人气:0

系统可能在第一次使用某个类时加载该类，也可能采用预加载机制来加载某个类。本节将会详细介绍类加载、连接和初始化过程中的每个细节。

JVM 和类

当调用 java 命令运行某个 Java 程序时，该命令将会启动一个 Java 虚拟机进程，不管该 Java 程序有多么复杂，该程序启动了多少个线程，它们都处于该 Java 虚拟机进程里。正如前面介绍的，同一个 JVM 的所有线程、所有变量都处于同一个进程里，它们都使用该 JVM 进程的内存区。当系统出现以下几种情况时，JVM 进程将被终止。

程序运行到最后正常结束。
程序运行到使用 system.exit() 或 Runtime.getRuntime().exit() 代码处结束程序。
程序执行过程中遇到未捕获的异常或错误而结束。
程序所在平台强制结束了 JVM 进程。

从上面的介绍可以看出，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。下面以类的类变量来说明这个问题。下面程序先定义了一个包含类变量的类。

public class A {
  // 定义该类的类变量
  public static int a = 6;
}

上面程序中的粗体字代码定义了一个类变量a，接下来定义一个类创建A类的实例，并访问A对象的类变量a。

public class ATest1 {
  public static void main(String[] args) {
    // 创建A类的实例
    A a = new A();
    // 让a实例的类变量a的值自加
    a.a++;
    System.out.println(a.a);
  }
}

下面程序也创建A对象，并访问其类变量a的值。

public class ATest2 {
  public static void main(String[] args) {
    // 创建A类的实例
    A b = new A();
    // 输出b实例的类变量a的值
    System.out.println(b.a);
  }
}

在 ATest1.java 程序中创建了A类的实例，并让该实例的类变量a的值自加，程序输出该实例的类变量a的值将看到7，相信读者对这个答案没有疑问。关键是运行第二个程序 ATest2 时，程序再次创建了A对象，并输出A对象类变量的a的值，此时a的值是多少呢？结果依然是6，并不是7。这是因为运行 ATest1 和 ATest2 是两次运行 JVM 进程，第一次运行 JVM 结束后，它对A类所做的修改将全部丢失——第二次运行 JVM 时将再次初始化A类。

注意：两次运行 Java 程序处于两个不同的 JVM 进程中，两个 JVM 之间并不会共享数据。

类的加载

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、初始化三个步骤来对该类进行初始化。如果没有意外，JVM 将会连续完成这三个步骤，所以有时也把这三个步骤统称为类加载或类初始化。

类加载指的是将类的 class 文件读入内存，并为之创建一个 java.lang.Class 对象，也就是说，当程序中使用任何类时，系统都会为之建立一个 java.lang.Class 对象。

提示：前面介绍面向对象时提到：类是某一类对象的抽象，类是概念层次的东西．但不知道读者有没有想过：类也是一种对象就像平常说概念主要用于定义、描述其他事物，但概念本身也是一种事物，那么概念本身也需要被描述———这有点像一个哲学命题，但事实就是这样，每个类是一批具有相同特征的对象的抽象（或者说概念），而系统中所有的类实际上也是实例，它们都是 java.lang.Class 的实例。

类的加载由类加载器完成，类加载器通常由 JVM 提供，这些类加载器也是前面所有程序运行的基础，JVM 提供的这些类加载器通常被称为系统类加载器。除此之外，开发者可以通过继承 ClassLoader 基类来创建自己的类加载器。

通过使用不同的类加载器，可以从不同来源加载类的二进制数据，通常有如下几种来源。

从本地文件系统加载 class 文件，这是前面绝大部分示例程序的类加载方式。
从 JAR 包加载 class 文件，这种方式也是很常见的，前面介绍 JDBC 编程时用到的数据库驱动类就放在 JAR 文件中，JVM 可以从 JAR 文件中直接加载该 class 文件。
通过网络加载 class 文件。
把一个 Java 源文件动态编译，并执行加载。

类加载器通常无须等到“首次使用”该类时才加载该类，Java 虚拟机规范允许系统预先加载某些类。

类的连接

当类被加载之后，系统为之生成一个对应的 Class 对象，接着将会进入连接阶段，连接阶段负责把类的二进制数据合并到 JRE 中。类连接又可分为如下三个阶段。

（1）验证：验证阶段用于检验被加载的类是否有正确的内部结构，并和其他类协调一致。
（2）准备：类准备阶段则负责为类的类变量分配内存，并设置默认初始值。
（3）解析：将类的二进制数据中的符号引用替换成直接引用。

类的初始化
在类的初始化阶段，虚拟机负责对类进行初始化，主要就是对类变量进行初始化。在 Java 类中对类变量指定初始值有两种方式：

①声明类变量时指定初始值；

②使用静态初始化块为类变量指定初始值。例如下面代码片段。

public class Test {
  // 声明变量a时指定初始值
  static int a = 5;
  static int b = 9; // ①
  static int c;
  static {
    // 使用静态初始化块为变量b指定出初始值
    b = 6;
    System.out.println("----------");
  }

  public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Test.b);
  }
}

对于上面代码，程序为类变量a、b都显式指定了初始值，所以这两个类变量的值分别为5、6，但类变量c则没有指定初始值，它将采用默认初始值0。

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 会按这些语句在程序中的排列顺序依次执行它们，例如下面的类。

public class Test {
  static {
    // 使用静态初始化块为变量b指定出初始值
    b = 6;
    System.out.println("----------");
  }
  // 声明变量a时指定初始值
  static int a = 5;
  static int b = 9; // ①
  static int c;

  public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Test.b);
  }
}

上面代码先在静态初始化块中为b变量赋值，此时类变量b的值为6；接着程序向下执行，执行到①号代码处，这行代码也属于该类的初始化语句，所以程序再次为类变量b赋值。也就是说，当 Test 类初始化结束后，该类的类变量b的值为9。

JVM 初始化一个类包含如下几个步骤。

①假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类。
②假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类。
③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，则系统再次重复这三个步骤来先初始化这个父类......依此类推，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时，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。

类初始化的时机

当 Java 程序首次通过下面6种方式来使用某个类或接口时，系统就会初始化该类或接口。

创建类的实例。为某个类创建实例的方式包括：使用 new 操作符来创建实例，通过反射来创建实例，通过反序列化的方式来创建实例。
调用某个类的类方法（静态方法）。
访问某个类或接口的类变量，或为该类变量赋值。
使用反射方式来强制创建某个类或接口对应的 java.lang.Class 对象。例如代码：Class.forName("Person")，如果系统还未初始化 Person 类，则这行代码将会导致该 Person 类被初始化，并返回 Person 类对应的 java.lang.Class 对象。
初始化某个类的子类。当初始化某个类的子类时，该子类的所有父类都会被初始化。
直接使用 java.exe 命令来运行某个主类。当运行某个主类时，程序会先初始化该主类。

除此之外，下面的几种情形需要特别指出。

对于一个 final 型的类变量，如果该类变量的值在编译时就可以确定下来，那么这个类变量相当于“宏变量”。Java 编译器会在编译时直接把这个类变量出现的地方替换成它的值，因此即使程序使用该静态类变量，也不会导致该类的初始化。例如下面示例程序的结果。

class MyTest {
  static {
    System.out.println("静态初始化块...");
  }
  // 使用一个字符串直接量为static final的类变量赋值
  static final String compileConstant = "疯狂Java讲义";
}

public class CompileConstantTest {
  public static void main(String[] args) {
    // 访问、输出MyTest中的compileConstant类变量
    System.out.println(MyTest.compileConstant); // ①
  }
}

上面程序的 MyTest 类中有一个 compileConstant 的类变量，该类变量使用了 final 修饰，而且它的值可以在编译时确定下来，因此 compileConstant 会被当成“宏变量”处理。程序中所有使用 compileConstant 的地方都会在编译时被直接替换成它的值——也就是说，上面程序中①处的粗体字代码在编译时就会被替换成“疯狂Java讲义”，所以①行代码不会导致初始化 MyTest 类。

提示：当某个类变量（也叫静态变量）使用了 final 修饰，而且它的值可以在编译时就确定下来，那么程序其他地方使用该类变量时，实际上并没有使用该类变量，而是相当于使用常量。

反之，如果 final 修饰的类变量的值不能在编译时确定下来．则必须等到运行时才可以确定该类变量的值，如果通过该类来访问它的类变量，则会导致该类被初始化。例如将上面程序中定义compileConstant 的代码改为如下：

//采用系统当前时间为 static final 类变量赋值
static final String compileConstant = System.currentTimeMiIlis() + "";

因为上面定义的 compileConstant 类变量的值必须在运行时才可以确定，所以①处的粗体字代码必须保留为对 MyTest 类的类变量的引用，这行代码就变成了使用 MyTest 的类变量，这将导致 MyTest 类被初始化。

当使用 ClassLoader 类的 loadClass() 方法来加载某个类时，该方法只是加载该类，并不会执行该类的初始化。使用 Class 的 forName() 静态方法才会导致强制初始化该类。例如如下代码。

package com.jwen.chapter18_1;

class Tester {
  static {
    System.out.println("Tester类的静态初始化块...");
  }
}

public class ClassLoaderTest {
  public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
    ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();
    // 下面语句仅仅是加载Tester类
    cl.loadClass("com.jwen.chapter18_1.Tester");
    System.out.println("系统加载Tester类");
    // 下面语句才会初始化Tester类
    Class.forName("com.jwen.chapter18_1.Tester");
  }
}

上面程序中的两行粗体字代码都用到了 Tester 类，但第一行粗体字代码只是加载 Tester 类，并不会初始化 Tester 类。运行上面程序，会看到如下运行结果：

系统加载Tester类
Tester类的静态初始化块...

从上面运行结果可以看出，必须等到执行 Class.forName("Tester") 时才完成对 Tester 类的初始化。

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