Android修炼系列（二），Class类加载过程与类加载器

在说类加载器和双亲委派模型之前，我们先来梳理下Class类文件的加载过程，JAVA虚拟机为了保证 实现语言的无关性，是将虚拟机只与“Class 文件”字节码 这种特定形式的二进制文件格式 相关联，而不是与实现语言绑定。

类加载过程

Class类从被加载到虚拟机内存开始，到卸载出内存为止，其生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）、卸载（Unloading）7个阶段。其中加载过程见下：

加载阶段

加载阶段做了什么？过程见下图。其中类的全限定名是Class文件（JAVA由编译器自动生成）内的代表常量池内的16进制值所代表的特定符号引用。因为Class文件格式有其自己的一套规范，如第1-4字节代表魔数，第5-6字节代表次版本，第7-8字节代表主版本号等等。

说白了就是，虚拟机不关心我们的这种“特定二进制流”从哪里来的，从本地加载也好，从网上下载的也罢，都没关系。虚拟机要做的就是将该二进制流写在自己的内存中并生成相应的Class对象（并不是在堆中）。在这个阶段，我们能够通过我们自定义类加载器来控制二进制流的获取方式。

验证阶段

验证阶段，正因为加载阶段虚拟机不介意二进制的来源，所以就可能存在着影响虚拟机正常运行的安全隐患。所以虚拟机对于该二进制流的校验工作非常重要。校验方式包括但不限于：

准备阶段

准备阶段在此阶段将正式为类变量分配内存并设置变量的初始化值。注意的是，类变量是指 static 的静态变量，是分配在方法区之中的，而不像对象变量，分配在堆中。还有一点需要注意，final 常量在此阶段就已经被赋值了。如下：

    public static int SIZE = 10; // 初始化值 == 0
public static final int SIZE = 10; // 初始化值 == 10
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解析阶段

解析阶段是将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是上文说的Class文件格式标准所规定的特定字面量，而直接引用就是我们说的指针，内存引用等概念

初始化阶段

到了初始化阶段，就开始真正执行我们的字节码程序了。也可以理解成：类初始化阶段就是虚拟机内部执行类构造 < clinit >() 方法的过程。注意，这个类构造方法可不是虚拟机内部生成的，而是我们的编译器自动生成的，是编译器自动收集类中的所有类变量的 赋值动作 和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的，具体分析见下。

注意，这里说的是类变量赋值动作，即static 并且具有赋值操作，如果无赋值操作，那么在准备阶段进行的方法区初始化就算完成了。为何还要加上static{} 呢？我们可以把static{} 理解成：是由多个静态初始化动作组织成的一个特殊的“静态子句”，与其他的静态初始化动作一样。这也是为何 static {} 只会执行一遍并在对象构造方法之前执行的原因。如下代码：

public class Tested {
public static int T;
// public static int V; // 无赋值，不在类构造中再次初始化
public int c = 1; // 不会在类构造中

static {

        T = 10;

    }

}
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还有一点，编辑器收集类变量的顺序，也就是虚拟机在此初始化阶段的执行顺序，这个顺序就是变量在类中语句定义的先后顺序，如上面的：语句 2 : T 在 6 : T 之前，这是两个独立的语句。类构造< clinit >的其他特点如下：

编译期的< clinit >

我们将流程回溯到编译期阶段，以刚刚的Tested 类代码为例。通过 javap -c /Tested.class (注意：/../Tested 绝对路径)，获取Class文件：

public class com.tencent.lo.Tested {
public static int T;

public int c;

public com.tencent.lo.Tested();

    Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: iconst_1
6: putfield      #2                  // Field c:I
9: return

static {};

    Code:
0: bipush        10
2: putstatic     #3                  // Field T:I
5: return

}
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在Class 文件中我们能很明显的看到 invokespecial 对应的对象构造 "< init >" : () V ，那为什么没有看到< clinit > 类构造方法呢？其实上面的 static {} 就是。我们来看下OpenJDK源码的 Constants接口，此接口定义了在编译器中所用到的常量，这是一个自动生成的类。

public interface Constants extends RuntimeConstants {
public static final boolean tracing = true;


    Identifier idClassInit = Identifier.lookup("<clinit>");

    Identifier idInit = Identifier.lookup("<init>");

}
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在MemberDefinition类 中，判断是否为类构造器字符：

    public final boolean isInitializer() {
return getName().equals(idClassInit); // 类构造

    }
public final boolean isConstructor() {
return getName().equals(idInit); // 对象构造

    }
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而在MemberDefinition 的 toString() 方法中，我们能够看到，当类构造时，会输出特定字符，而不会像对象构造那样输出规范的字符串。

    public String toString() {

        Identifier name = getClassDefinition().getName();
if (isInitializer()) { // 类构造
return isStatic() ? "static {}" : "instance {}";

        } else if (isConstructor()) { // 对象构造

            StringBuffer buf = new StringBuffer();

            buf.append(name);

            buf.append('(');

            Type argTypes[] = getType().getArgumentTypes();
for (int i = 0 ; i < argTypes.length ; i++) {
if (i > 0) {

                    buf.append(',');

                    }

                buf.append(argTypes[i].toString());

                }

            buf.append(')');
return buf.toString();

        } else if (isInnerClass()) {
return getInnerClass().toString();

        }
return type.typeString(getName().toString());

    }
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类加载器

“虚拟机将类加载阶段中的“通过一个全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到了外部来实现，以便开发者可以自己决定如何获取所需的类文件，而实现这个动作的代码模块就被称为类加载器。对于任意一个类来说，只有在类加载器相同的情况下比较两者是否相同才有意义，否则即使是同个文件，在不同加载器下，在虚拟机看来其仍然是不同的，是两个独立的类。我们可以将类加载器分为三类”：

双亲委派

而所谓的双亲委派模型就是：“如果一个类加载器收到类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把加载的操作委托给父类加载器去完成，每一层次加载器都是如此，因此所有的加载请求都会传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求时（它的搜索范围没有找到所需的类，因为上面所说的启动类加载器和扩展类加载器，只能加载特定目录之下的，或被-x参数所指定的类库），子类才会尝试自己加载”。注意这里说的父类只是形容层次结构，其并不是直接继承关系，而是通过组合方式来复用父类的加载器的。

“双亲委派的好处就是，使加载器也具备了优先级的层次结构。例如，java.lang.Object存放在< JAVA_HOME>\lib 下的rt.jar包内，无论哪个类加载器要加载这个类，最终都会委派给最顶层的启动类加载器，所以保证了Object类在各类加载器环境中都是同一个类。相反，如果没有双亲委派模型，如果用户编写了一个java.lang.Object类，并放在程序的ClassPath下，那么系统将会出现多个不同的Object类”。

为何？因为每个加载器各自为政，不会委托给父构造器，如上面所说，只要加载器不同，即使类Class文件相同，其也是独立的。

试想如果自己在项目中编写了一个java.lang.Object 类（当然不能放入rt.jar类库中替换掉同名Object文件，这样做没有意义，如果虚拟机加载校验能通过的话，只是相当于改了源码嘛），我们通过自定义的构造器来加载这个类可以吗？理论上来说，虽然这两个类都是java.lang.Object，但由于构造器不同，对于虚拟机来说这是不同的Class文件，当然可以。但是实际上呢？来段代码见下：

    public void loadPathName(String classPath) throws ClassNotFoundException {
new ClassLoader() {
@Override
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {

                InputStream is = getClass().getResourceAsStream(name);
if (is == null)
return super.loadClass(name);
byte[] b;
try {

                    b = new byte[is.available()];

                    is.read(b);

                } catch (Exception e) {
return super.loadClass(name);

                }
return defineClass(name, b, 0, b.length);

            }

        }.loadClass(classPath);

    }
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实际的执行逻辑是 defineClass 方法。可以发现，自定义加载器是无法加载以 java. 开头的系统类的。

    protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,

                                         ProtectionDomain protectionDomain)
throws ClassFormatError {


        protectionDomain = preDefineClass(name, protectionDomain);

        ... // 略

return c;

    }

private ProtectionDomain preDefineClass(String name, ProtectionDomain pd) {
if (!checkName(name))
throw new NoClassDefFoundError("IllegalName: " + name);
// 在这里能看到系统类，自定义的加载器是不能加载的
if ((name != null) && name.startsWith("java.")) {
throw new SecurityException

                    ("Prohibited package name: " +

                            name.substring(0, name.lastIndexOf('.')));

        }

        ... // 略

return pd;

    }
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如果你用AS直接查看，你会发现，defineClass 内部是没有具体实现的，源码见下。可这并不代表android 的 defineClass 方法实现与 java 不同，因为都是引用的 java.lang 包下的ClassLoader 类，逻辑肯定都是一样的。之所以看到的源码不一样，这是由于SDK和JAVA源码包的区别导致的。SDK内的源码是谷歌提供给我们方便开发查看的，并不完全等同于源码。

    protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
throws ClassFormatError

    {
throw new UnsupportedOperationException("can't load this type of class file");

    }
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好了，本文到这里就结束了，关于类加载过程的讲解也应该够用了。如果本文对你有用，来点个赞吧，大家的肯定也是阿呆i坚持写作的动力。

参考 1、周志明，深入理解JAVA虚拟机：机械工业出版社