在上一篇文章中介紹了Java字節(jié)代碼的操縱，其中提到了利用Java類(lèi)加載器來(lái)加載修改過(guò)后的字節(jié)代碼并在JVM上執(zhí)行。本文接著上一篇的話(huà)題，討論Java類(lèi)的加載、鏈接和初始化。Java字節(jié)代碼的表現(xiàn)形式是字節(jié)數(shù)組（byte[]），而Java類(lèi)在JVM中的表現(xiàn)形式是java.lang.Class類(lèi)的對(duì)象。一個(gè)Java類(lèi)從字節(jié)代碼到能夠在JVM中被使用，需要經(jīng)過(guò)加載、鏈接和初始化這三個(gè)步驟。這三個(gè)步驟中，對(duì)開(kāi)發(fā)人員直接可見(jiàn)的是Java類(lèi)的加載，通過(guò)使用Java類(lèi)加載器（class loader）可以在運(yùn)行時(shí)刻動(dòng)態(tài)的加載一個(gè)Java類(lèi)；而鏈接和初始化則是在使用Java類(lèi)之前會(huì)發(fā)生的動(dòng)作。本文會(huì)詳細(xì)介紹Java類(lèi)的加載、鏈接和初始化的過(guò)程。

　　Java類(lèi)的加載

　　Java類(lèi)的加載是由類(lèi)加載器來(lái)完成的。一般來(lái)說(shuō)，類(lèi)加載器分成兩類(lèi)：?jiǎn)?dòng)類(lèi)加載器（bootstrap）和用戶(hù)自定義的類(lèi)加載器（user-defined）。兩者的區(qū)別在于啟動(dòng)類(lèi)加載器是由JVM的原生代碼實(shí)現(xiàn)的，而用戶(hù)自定義的類(lèi)加載器都繼承自Java中的java.lang.ClassLoader類(lèi)。在用戶(hù)自定義類(lèi)加載器的部分，一般JVM都會(huì)提供一些基本實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)人員也可以根據(jù)需要編寫(xiě)自己的類(lèi)加載器。JVM中最常使用的是系統(tǒng)類(lèi)加載器（system），它用來(lái)啟動(dòng)Java應(yīng)用程序的加載。通過(guò)java.lang.ClassLoader的getSystemClassLoader()方法可以獲取到該類(lèi)加載器對(duì)象。

　　類(lèi)加載器需要完成的最終功能是定義一個(gè)Java類(lèi)，即把Java字節(jié)代碼轉(zhuǎn)換成JVM中的java.lang.Class類(lèi)的對(duì)象。但是類(lèi)加載的過(guò)程并不是這么簡(jiǎn)單。Java類(lèi)加載器有兩個(gè)比較重要的特征：層次組織結(jié)構(gòu)和代理模式。層次組織結(jié)構(gòu)指的是每個(gè)類(lèi)加載器都有一個(gè)父類(lèi)加載器，通過(guò)getParent()方法可以獲取到。類(lèi)加載器通過(guò)這種父親-后代的方式組織在一起，形成樹(shù)狀層次結(jié)構(gòu)。代理模式則指的是一個(gè)類(lèi)加載器既可以自己完成Java類(lèi)的定義工作，也可以代理給其它的類(lèi)加載器來(lái)完成。由于代理模式的存在，啟動(dòng)一個(gè)類(lèi)的加載過(guò)程的類(lèi)加載器和最終定義這個(gè)類(lèi)的類(lèi)加載器可能并不是一個(gè)。前者稱(chēng)為初始類(lèi)加載器，而后者稱(chēng)為定義類(lèi)加載器。兩者的關(guān)聯(lián)在于：一個(gè)Java類(lèi)的定義類(lèi)加載器是該類(lèi)所導(dǎo)入的其它Java類(lèi)的初始類(lèi)加載器。比如類(lèi)A通過(guò)import導(dǎo)入了類(lèi) B，那么由類(lèi)A的定義類(lèi)加載器負(fù)責(zé)啟動(dòng)類(lèi)B的加載過(guò)程。

　　一般的類(lèi)加載器在嘗試自己去加載某個(gè)Java類(lèi)之前，會(huì)首先代理給其父類(lèi)加載器。當(dāng)父類(lèi)加載器找不到的時(shí)候，才會(huì)嘗試自己加載。這個(gè)邏輯是封裝在java.lang.ClassLoader類(lèi)的loadClass()方法中的。一般來(lái)說(shuō)，父類(lèi)優(yōu)先的策略就足夠好了。在某些情況下，可能需要采取相反的策略，即先嘗試自己加載，找不到的時(shí)候再代理給父類(lèi)加載器。這種做法在Java的Web容器中比較常見(jiàn)，也是Servlet規(guī)范推薦的做法。比如，Apache Tomcat為每個(gè)Web應(yīng)用都提供一個(gè)獨(dú)立的類(lèi)加載器，使用的就是自己優(yōu)先加載的策略。IBM WebSphere Application Server則允許Web應(yīng)用選擇類(lèi)加載器使用的策略。

　　類(lèi)加載器的一個(gè)重要用途是在JVM中為相同名稱(chēng)的Java類(lèi)創(chuàng)建隔離空間。在JVM中，判斷兩個(gè)類(lèi)是否相同，不僅是根據(jù)該類(lèi)的二進(jìn)制名稱(chēng)，還需要根據(jù)兩個(gè)類(lèi)的定義類(lèi)加載器。只有兩者完全一樣，才認(rèn)為兩個(gè)類(lèi)的是相同的。因此，即便是同樣的Java字節(jié)代碼，被兩個(gè)不同的類(lèi)加載器定義之后，所得到的Java類(lèi)也是不同的。如果試圖在兩個(gè)類(lèi)的對(duì)象之間進(jìn)行賦值操作，會(huì)拋出java.lang.ClassCastException。這個(gè)特性為同樣名稱(chēng)的Java類(lèi)在JVM中共存創(chuàng)造了條件。在實(shí)際的應(yīng)用中，可能會(huì)要求同一名稱(chēng)的Java類(lèi)的不同版本在JVM中可以同時(shí)存在。通過(guò)類(lèi)加載器就可以滿(mǎn)足這種需求。這種技術(shù)在OSGi中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　Java類(lèi)的鏈接

　　Java類(lèi)的鏈接指的是將Java類(lèi)的二進(jìn)制代碼合并到JVM的運(yùn)行狀態(tài)之中的過(guò)程。在鏈接之前，這個(gè)類(lèi)必須被成功加載。類(lèi)的鏈接包括驗(yàn)證、準(zhǔn)備和解析等幾個(gè)步驟。驗(yàn)證是用來(lái)確保Java類(lèi)的二進(jìn)制表示在結(jié)構(gòu)上是完全正確的。如果驗(yàn)證過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤的話(huà)，會(huì)拋出java.lang.VerifyError錯(cuò)誤。準(zhǔn)備過(guò)程則是創(chuàng)建Java類(lèi)中的靜態(tài)域，并將這些域的值設(shè)為默認(rèn)值。準(zhǔn)備過(guò)程并不會(huì)執(zhí)行代碼。在一個(gè)Java類(lèi)中會(huì)包含對(duì)其它類(lèi)或接口的形式引用，包括它的父類(lèi)、所實(shí)現(xiàn)的接口、方法的形式參數(shù)和返回值的Java類(lèi)等。解析的過(guò)程就是確保這些被引用的類(lèi)能被正確的找到。解析的過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致其它的 Java類(lèi)被加載。

　　不同的JVM實(shí)現(xiàn)可能選擇不同的解析策略。一種做法是在鏈接的時(shí)候，就遞歸的把所有依賴(lài)的形式引用都進(jìn)行解析。而另外的做法則可能是只在一個(gè)形式引用真正需要的時(shí)候才進(jìn)行解析。也就是說(shuō)如果一個(gè)Java類(lèi)只是被引用了，但是并沒(méi)有被真正用到，那么這個(gè)類(lèi)有可能就不會(huì)被解析。考慮下面的代碼：

　　public　class　LinkTest　{　　
public　static　void　main(String[]　args)　{　　　　
ToBeLinked　toBeLinked　=　null;　　　　
System.out.println("Test　link.");　　
}　
}

　　類(lèi) LinkTest引用了類(lèi)ToBeLinked，但是并沒(méi)有真正使用它，只是聲明了一個(gè)變量，并沒(méi)有創(chuàng)建該類(lèi)的實(shí)例或是訪(fǎng)問(wèn)其中的靜態(tài)域。在 Oracle的JDK 6中，如果把編譯好的ToBeLinked的Java字節(jié)代碼刪除之后，再運(yùn)行LinkTest，程序不會(huì)拋出錯(cuò)誤。這是因?yàn)門(mén)oBeLinked類(lèi)沒(méi)有被真正用到，而Oracle的JDK 6所采用的鏈接策略使得ToBeLinked類(lèi)不會(huì)被加載，因此也不會(huì)發(fā)現(xiàn)ToBeLinked的Java字節(jié)代碼實(shí)際上是不存在的。如果把代碼改成 ToBeLinked toBeLinked = new ToBeLinked();之后，再按照相同的方法運(yùn)行，就會(huì)拋出異常了。因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候ToBeLinked這個(gè)類(lèi)被真正使用到了，會(huì)需要加載這個(gè)類(lèi)。

　　Java類(lèi)的初始化

　　當(dāng)一個(gè)Java類(lèi)第一次被真正使用到的時(shí)候，JVM會(huì)進(jìn)行該類(lèi)的初始化操作。初始化過(guò)程的主要操作是執(zhí)行靜態(tài)代碼塊和初始化靜態(tài)域。在一個(gè)類(lèi)被初始化之前，它的直接父類(lèi)也需要被初始化。但是，一個(gè)接口的初始化，不會(huì)引起其父接口的初始化。在初始化的時(shí)候，會(huì)按照源代碼中從上到下的順序依次執(zhí)行靜態(tài)代碼塊和初始化靜態(tài)域?？紤]下面的代碼：

　　public　class　StaticTest　{　　
public　static　int　X　=　10;　　
public　static　void　main(String[]　args)　{　　　　
System.out.println(Y);　//輸出60　　
}　　
static　{　　　　
X　=　30;　　
}　　
public　static　int　Y　=　X　*　2;　
}

　　在上面的代碼中，在初始化的時(shí)候，靜態(tài)域的初始化和靜態(tài)代碼塊的執(zhí)行會(huì)從上到下依次執(zhí)行。因此變量X的值首先初始化成10，后來(lái)又被賦值成30；而變量Y的值則被初始化成60。

　　Java類(lèi)和接口的初始化只有在特定的時(shí)機(jī)才會(huì)發(fā)生，這些時(shí)機(jī)包括：

　　創(chuàng)建一個(gè)Java類(lèi)的實(shí)例。如

　　MyClass　obj　=　new　MyClass()

　　調(diào)用一個(gè)Java類(lèi)中的靜態(tài)方法。如

　　MyClass.sayHello()

　　給Java類(lèi)或接口中聲明的靜態(tài)域賦值。如

　　MyClass.value　=　10

　　訪(fǎng)問(wèn)Java類(lèi)或接口中聲明的靜態(tài)域，并且該域不是常值變量。如

　　int　value　=　MyClass.value

　　在頂層Java類(lèi)中執(zhí)行assert語(yǔ)句。

　　通過(guò)Java反射API也可能造成類(lèi)和接口的初始化。需要注意的是，當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)Java類(lèi)或接口中的靜態(tài)域的時(shí)候，只有真正聲明這個(gè)域的類(lèi)或接口才會(huì)被初始化。考慮下面的代碼：

　　class　B　{　　
static　int　value　=　100;　　
static　{　　　　
System.out.println("Class　B　is　initialized.");　//輸出　　
}　
}　
class　A　extends　B　{　　
static　{　　　　
System.out.println("Class　A　is　initialized.");　//不會(huì)輸出　　
}　
}　
public　class　InitTest　{　　
public　static　void　main(String[]　args)　{　　　　
System.out.println(A.value);　//輸出100　　
}　
}

　　在上述代碼中，類(lèi)InitTest通過(guò)A.value引用了類(lèi)B中聲明的靜態(tài)域value。由于value是在類(lèi)B中聲明的，只有類(lèi)B會(huì)被初始化，而類(lèi)A則不會(huì)被初始化。

　　創(chuàng)建自己的類(lèi)加載器

　　在 Java應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可能會(huì)需要?jiǎng)?chuàng)建應(yīng)用自己的類(lèi)加載器。典型的場(chǎng)景包括實(shí)現(xiàn)特定的Java字節(jié)代碼查找方式、對(duì)字節(jié)代碼進(jìn)行加密/解密以及實(shí)現(xiàn)同名 Java類(lèi)的隔離等。創(chuàng)建自己的類(lèi)加載器并不是一件復(fù)雜的事情，只需要繼承自java.lang.ClassLoader類(lèi)并覆寫(xiě)對(duì)應(yīng)的方法即可。  java.lang.ClassLoader中提供的方法有不少，下面介紹幾個(gè)創(chuàng)建類(lèi)加載器時(shí)需要考慮的：

　　defineClass()：這個(gè)方法用來(lái)完成從Java字節(jié)代碼的字節(jié)數(shù)組到j(luò)ava.lang.Class的轉(zhuǎn)換。這個(gè)方法是不能被覆寫(xiě)的，一般是用原生代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　findLoadedClass()：這個(gè)方法用來(lái)根據(jù)名稱(chēng)查找已經(jīng)加載過(guò)的Java類(lèi)。一個(gè)類(lèi)加載器不會(huì)重復(fù)加載同一名稱(chēng)的類(lèi)。

　　findClass()：這個(gè)方法用來(lái)根據(jù)名稱(chēng)查找并加載Java類(lèi)。

　　loadClass()：這個(gè)方法用來(lái)根據(jù)名稱(chēng)加載Java類(lèi)。

　　resolveClass()：這個(gè)方法用來(lái)鏈接一個(gè)Java類(lèi)。

　　這里比較 容易混淆的是findClass()方法和loadClass()方法的作用。前面提到過(guò)，在Java類(lèi)的鏈接過(guò)程中，會(huì)需要對(duì)Java類(lèi)進(jìn)行解析，而解析可能會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前Java類(lèi)所引用的其它Java類(lèi)被加載。在這個(gè)時(shí)候，JVM就是通過(guò)調(diào)用當(dāng)前類(lèi)的定義類(lèi)加載器的loadClass()方法來(lái)加載其它類(lèi)的。findClass()方法則是應(yīng)用創(chuàng)建的類(lèi)加載器的擴(kuò)展點(diǎn)。應(yīng)用自己的類(lèi)加載器應(yīng)該覆寫(xiě)findClass()方法來(lái)添加自定義的類(lèi)加載邏輯。 loadClass()方法的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)會(huì)負(fù)責(zé)調(diào)用findClass()方法。

　　前面提到，類(lèi)加載器的代理模式默認(rèn)使用的是父類(lèi)優(yōu)先的策略。這個(gè)策略的實(shí)現(xiàn)是封裝在loadClass()方法中的。如果希望修改此策略，就需要覆寫(xiě)loadClass()方法。

　　下面的代碼給出了自定義的類(lèi)加載的常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)模式：

　　public　class　MyClassLoader　extends　ClassLoader　{　　
protected　Class<?>　findClass(String　name)　throws　ClassNotFoundException　{　　　　
byte[]　b　=　null;　//查找或生成Java類(lèi)的字節(jié)代碼　　　　
return　defineClass(name,　b,　0,　b.length);　　
}　
}