漫谈JVM之类加载机制（篇一）

前言最近在看一本书，发现代码里用到了Thread.currentThread().getContextClassLoader()，为什么类加载器还与线程有关系呢，为什么不直接使用ClassLoader.getSystemClassLoader()呢？带着这些疑问又把JVM类加载机制从头到尾学习了一遍。

篇一类加载时机

我们编写的代码存储在java文件中，java源代码通过编译生成Java虚拟机可识别的字节码，存储在Class文件中。运行java程序时需要将Class文件中的信息加载到Java虚拟机中，而这个过程就是类加载的过程。

如上图所示，假设写一个类A存储为A.java，通过javac A.java编译生成A.class，A.class中存储了各种描述A类的信息。然后运行程序，执行java A.class，这时java虚拟机会先将A.class中信息转换成Java虚拟机所需的存储格式，然后存放在方法区中。之后，Java虚拟机会再创建一个java.lang.Class对象实例，这个实例将作为访问方法区中A类信息的入口。使用A中方法时，要先创建一个实例new A()，Java虚拟机基于类的描述信息在Java堆中创建一个A的实例。

那何时会触发类的加载呢？Java虚拟机规范中并未明确指出，但对类的初始化时机做了明确说明。这两者有什么关系呢，我们先了解一下类的加载流程：

根据这个流程，初始化触发时类加载的第一个阶段---加载阶段肯定已经完成了，那我们可以这样推论，类初始化的触发时机定会触发整个类加载过程。

上面示例中提到的新建一个对象实例会先加载对象，java虚拟机规范中提到在以下五种情况将触发类的初始化^[1]：

1) 遇到new,getstatic,putstatic,invokestatic这四条字节码指令时；

为了验证我们先设置个基础类B，提供了一个静态字段，一个静态块。静态方法和静态块会在编译期汇集到<clinit>类初始化方法中，固可以用这个方法的运行结果引证类的初始化。

public class B {
public static int f;
static {
System.out.println("init B");
}
public static void m(){
System.out.println("invoke m");
}
}

new:新建对象；

public class C{
public static void main(String args[]) {
new B();
}
}

运行结果：

init B

说明类已经初始化了

pustatic:设置类的静态字段；

public class C{
public static void main(String args[]) {
B.f=5;
}
}

运行结果：

init B

getstatic:获取类的静态字段；

public class C{
public static void main(String args[]) {
System.out.println(B.f);
}
}

运行结果

init B
0

invokestatic:调用类的静态方法；

public class C{
public static void main(String args[]) {
B.m();
}
}

运行结果：

init B
invoke m

2) 使用`java.lang.reflect`包或`Class`的方法对类进行反射调用时；

public class C{
public static void main(String args[]) {
try {
Class.forName("B");
} catch (ClassNotFoundException e) {
}
}
}

运行结果：

init B

3) 当初始化一个类，其父类还没有初始化时；

这里我们新建一个类A继承B，通过初始化A看看B有没有初始化。

public class A extends B {
static {
System.out.println("init A");
}
}
public class C{
public static void main(String args[]) {
new A();
}
}

运行结果：

init B
init A

发现B也初始化了，并且是B先初始化完A才初始化，也就是初始化一个类时会先看其父类是否已经初始化，依次类推一直到java.lang.Object。其实除了类需要初始化，接口也需要初始化，用于初始化接口变量的赋值。与类的初始化不同，接口初始化时并不会递归初始化所有父接口，而是用到哪个接口就初始化哪个接口，如调用接口中的常量。由于接口中不允许有静态块，那<clinit>就只用于初始化其常量。
新建两个接口E、G，类F实现这两个接口：

public interface E {
B b = new B();//依据接口的特性默认变量static final修饰
}
public interface G {
D d = new D();
}
public class D {
static {
System.out.println("init D");
}
}
public class B {
static {
System.out.println("init B");
}
}
public class F implements E,G {
//只为了测试这个方法无需任何实现
}
public class C {
public static void main(String args[]) {
System.out.println(F.b);
}
}

这里运行结果只有init B而没有init D说明没有触发接口G的初始化。

4) 当Java虚拟机启动时，用户指定的主类(包含main方法的类)要先进行初始化；

程序运行一定会有一个入口，也就是Main类，java虚拟机启动时会现将其初始化。下面我们在B类里加一个空的main方法，运行看一下效果：

public class B {
public static int f;
static {
System.out.println("init B");
}
public static void m(){
System.out.println("invoke m");
}
public static void main(String args[]){
}
}

编译后运行java B控制台输出init B，说明B也初始化完成了。

5) 在初次调用`java.lang.invoke.MethodHandle`实例时，通过java虚拟机解析出类型是REF_getStatic,REF_puStatic,REF_invokeStatic的方法句柄时；

注意，上面所说的场景都有一个前提就是对应的类没有初始化过，如果这个类已经初始化了，直接使用就可以了。

以上这些场景都属于对一个类的主动引用，除了这些场景外其他引用类的方式都不会触发初始化。我们从上面的场景用找几个特例来看一下是否能使其初始化：

1)针对第一条，通过子类调用父类的静态变量或静态方法

这里严重上面第三条的类A，类B

public class C{
public static void main(String args[]) {
A.f=5;
}
}

通过类A赋值类B的静态字段f，运行结果只有init B，而没有初始化类A，因为这里用到的是类变量，只是借用了A对B的继承关系，无需对A进行初始化。

2)调用类中的常量

常量在编译阶段会直接在调用类中将常量值存入其常量池中，与被调用类其实也没有关系了，固对常量的调用并不会引起被调用类的初始化，如下：

public class D {
public static final String f = "f";
static {
System.out.println("init D");
}
}
public class C{
public static void main(String args[]){
System.out.println(D.f);
}
}

运行结果：

证实了上面的说法

3) 通过数组引用类

对于数组java虚拟机会特殊处理，在执行时Java虚拟机会动态生成一个数组对象，这时初始化的只是这个数组对象。当使用数组的元素时才会真正触发元素类型的初始化。
直接在main方法中新建数组：

public class H {
public static void main(String args[]){
B[] bs = new B[1];
}
}

运行结果什么也没有输出，说明B没有初始化。通过输出bs发现这是一个[LB对象，是由newarray指令动态生成的。

public class H {
public static void main(String args[]){
B[] bs = new B[1];
System.out.println("-------");
System.out.println(bs[0].f);
}
}

运行结果：

-------
init B
0

这说明直到bs[0].f时才真正触发B的初始化。

写了这么多才发现仅仅谈到类加载的时机，离着解决篇头的问题还差一大截。没办法，要想彻底了解清楚类加载必须慢下心一步一步来。

若发现文章中任何问题，欢迎指正，互相学习。

这里说的初始化指的是类初始化，还有实例初始化是在创建实例时进行的。 ↩