JAVA虛擬機器（JVM）詳細介紹（五）－類別載入機制

上篇我們講解了Class文件，這篇我們說說虛擬機器是如何載入這些Class文件的？ Class檔案中的資訊進入到虛擬機器後會發生什麼變化？這就牽涉到了類別載入機制。

類別載入機制是把類別的資料從Class檔案載入到內存，並對資料進行校驗，轉換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機器直接使用的java類型。這一系列的過程都是在程式運行期間完成的。

類別載入器

類別載入器就是下圖中紅框的部分，它透過一個類別的全限定名來取得描述此類的二進位位元組流，從而將java類別動態地載入進JVM的記憶體空間。

適用情境

#對於一個非陣列類別的載入階段，可以使用系統提供的引導類別載入器來完成，也可以由使用者自訂的類別載入器去完成。
對於陣列類別而言，其由java虛擬機器直接創建，不通過類別載入器。

雙親委派機制

雙親委派機制是類別載入所採取的一種方式。如果一個類別載入器收到了類別載入的請求，它首先不會自己去嘗試載入這個類，而是把這個請求委派給父類載入器去完成。每一層的類別載入器均是如此。只有當父載入器回饋自己無法完成這個要求時，子載入器才會嘗試自己去載入。

類比到現實：小明想買一個玩具挖土機，但他不好意思直接張口說。所以，發生了下面的對話。

小明去問他爸爸：爸爸你有挖土機嗎？
爸爸說：沒有哎
接著爸爸問爺爺：爸爸爸爸，你有挖土機嗎？
爺爺說：沒有哎
接著爺爺問太爺爺：爸爸爸爸，你有挖土機嗎？
太爺爺說：我也沒有。讓重孫子去買一個吧。
結果小明就高高興興地自己去買了一個玩具挖土機。

分類

啟動類別載入器是使用C 實作的，是虛擬機器本身的一部分。
其它類別載入器是由java語言實作的，獨立於虛擬機器外部，並且全都繼承自抽象類別java.lang.ClassLoader。

好處

以String類別為例。就算是使用者自己寫了一個String類別的實現，那麼對此類進行載入時，也只會委派給啟動類別載入器來對JDK中原本的String類別進行加載，而自訂的String類別永遠不會被調用。這樣保證了系統的安全。

什麼時候進行類別載入？

有且只有以下5種方式必須立即對類別進行載入

（1）使用new實例化物件的時候；讀取或配置一個類別的靜態欄位（被final修飾、已在編譯期把結果放入常數池的靜態欄位除外）的時候；呼叫一個類別的靜態方法的時候。

（2）使用java.lang.reflect套件的方法對類別進行反射呼叫的時候。如果類別沒有進行過初始化，則需要先觸發其初始化。

（3）當初始化一個類別的時候，如果發現其父類別還沒有進行過初始化，則需要先觸發其父類別的初始化。

（4）當虛擬機器啟動時，使用者需要指定一個要執行的主類別（包含main()方法的類別），虛擬機會先初始化這個主類別

#類別載入過程詳述

類別載入過程分為5步驟。大部分都是由虛擬機器主導和控制的，除了以下兩種情況：

在載入階段

#開發人員可以透過自訂類別載入器參與

在初始化階段

會執行開發人員的程式碼去初始化類別變數和其它資源

1、載入

虛擬機器需要完成的事情：
（1） 透過一個類別的全限定名稱來取得定義此類的二進位位元組流。
（2）將這個位元組流所代表的靜態儲存結構轉換為方法區的執行時間資料結構。
（3）在記憶體中產生一個代表這個類別的java.lang.Class對象，作為方法區這個類別的各種資料的存取入口。

2、驗證

驗證的目的是確保Class檔案的位元組流中包含的資訊符合目前虛擬機器的要求，不會危害虛擬機器本身的安全。
其分為4個步驟：檔案格式驗證，元資料驗證，字節碼驗證，符號引用驗證。其中文件格式驗證是直接對位元組流進行操作的，其餘3項是在方法區中進行的。

3、準備

此階段是正式為類別變數分配記憶體並設定類別變數初始值的階段。其是在方法區中進行分配的。有兩個注意點：

（1）此時只是對類別變數（被static修飾的變數）進行記憶體分配，而不是物件變數。給物件分配記憶體是在物件實例化時，隨著物件一起分配到java堆中。

（2）如果一個類別變數沒有被final修飾，則其初始值是資料型別的零值。例如int型別的是0，boolean型別的是false。舉個例子來說明：

public static int value=123;

在準備階段過後的初始值為0而不是123，因為這個時候尚未開始執行任何java方法，而把value賦值為123的putstatic指令是程式被編譯後，存放於類別建構器()方法之中。所以把value賦值為123的動作將在初始化階段才會執行。

public static final int value=123;

此時因為有final，所以在準備階段value就已經被賦值為123了。

4、解析

解析階段是虛擬機器將常數池內的符號引用替換為直接引用的過程。可對類別或介面、欄位、類別方法、介面方法等進行解析。

符號引用是什麼：

符號引用就是包含類別的信息，方法名，方法參數等信息的字串，它供實際使用時在該類別的方法表中找到對應的方法。

直接引用是什麼：

直接引用就是偏移量，透過偏移量可以直接在該類別的記憶體區域中找到方法字節碼的起始位置。
符號引用是告訴你此方法的一些特徵，你需要透過這些特徵去尋找對應的方法。直接引用就是直接告訴你此方法在哪裡。

5、初始化

此階段用於初始化類別變數和其它資源，是執行類別建構器()方法的過程，此時才是真正開始執行類別中定義的java程式碼。

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