Java 程序创建过程

　　从 class 文件到内存中的类，按先后顺序需要经过加载、链接以及初始化三大步骤。其中，链接过程中同样需要验证;而内存中的类没有经过初始化，同样不能使用。那么，是否所有的 Java 类都需要经过这几步呢?

　　我们知道 Java 语言的类型可以分为两大类：基本类型(primitive types)和引用类型(reference types)。在上一篇中，我已经详细介绍过了 Java 的基本类型，它们是由 Java 虚拟机预先定义好的。

　　至于另一大类引用类型，Java 将其细分为四种：类、接口、数组类和泛型参数。由于泛型参数会在编译过程中被擦除(我会在专栏的第二部分详细介绍)，因此 Java 虚拟机实际上只有前三种。在类、接口和数组类中，数组类是由 Java 虚拟机直接生成的，其他两种则有对应的字节流。

　　说到字节流，最常见的形式要属由 Java 编译器生成的 class 文件。除此之外，我们也可以在程序内部直接生成，或者从网络中获取(例如网页中内嵌的小程序 Java applet)字节流。这些不同形式的字节流，都会被加载到 Java 虚拟机中，成为类或接口。为了叙述方便，下面我就用“类”来统称它们。

　　无论是直接生成的数组类，还是加载的类，Java 虚拟机都需要对其进行链接和初始化。

　　其实，Java 虚拟机将字节流转化为 Java 类的过程，就是我们常说的Java类的创建过程。这个过程可分为加载、链接以及初始化三大步骤：

　　1.加载是指查找字节流，并且据此创建类的过程。加载需要借助类加载器，在 Java 虚拟机中，类加载器使用了双亲委派模型，即接收到加载请求时，会先将请求转发给父类加载器。

　　2.链接，是指将创建成的类合并至 Java 虚拟机中，使之能够执行的过程。链接还分验证、准备和解析三个阶段。其中，解析阶段为非必须的。

　　3.初始化，则是为标记为常量值的字段赋值，以及执行 < clinit > 方法的过程。类的初始化仅会被执行一次，这个特性被用来实现单例的延迟初始化。

　　3.Java 程序加载过程

　　从虚拟机视角来看，执行 Java 代码首先需要将它编译而成的 class 文件加载到 Java 虚拟机中。加载后的 Java 类会被存放于方法区(Method Area)中。实际运行时，虚拟机会执行方法区内的代码。

　　如果你熟悉 X86 的话，你会发现这和段式内存管理中的代码段类似。而且，Java 虚拟机同样也在内存中划分出堆和栈来存储运行时数据。

　　不同的是，Java 虚拟机会将栈细分为面向 Java 方法的 Java 方法栈，面向本地方法(用 C++ 写的 native 方法)的本地方法栈，以及存放各个线程执行位置的 PC 寄存器。

　　在运行过程中，每当调用进入一个 Java 方法，Java 虚拟机会在当前线程的 Java 方法栈中生成一个栈帧，用以存放局部变量以及字节码的操作数。这个栈帧的大小是提前计算好的，而且 Java 虚拟机不要求栈帧在内存空间里连续分布。

　　当退出当前执行的方法时，不管是正常返回还是异常返回，Java 虚拟机均会弹出当前线程的当前栈帧，并将之舍弃。

　　从硬件视角来看，Java 字节码无法直接执行。因此，Java 虚拟机需要将字节码翻译成机器码。

　　启动类加载器是由 C++ 实现的，没有对应的 Java 对象，因此在 Java 中只能用 null 来指代。

　　除了启动类加载器之外，其他的类加载器都是 java.lang.ClassLoader 的子类，因此有对应的 Java 对象。这些类加载器需要先由另一个类加载器，比如说启动类加载器，加载至 Java 虚拟机中，方能执行类加载。

　　在 Java 虚拟机中，这个潜规则有个特别的名字，叫双亲委派模型。每当一个类加载器接收到加载请求时，它会先将请求转发给父类加载器。在父类加载器没有找到所请求的类的情况下，该类加载器才会尝试去加载。

　　在 Java 9 之前，启动类加载器负责加载最为基础、最为重要的类，比如存放在 JRE 的 lib 目录下 jar 包中的类(以及由虚拟机参数 -Xbootclasspath 指定的类)。除了启动类加载器之外，另外两个重要的类加载器是扩展类加载器(extension class loader)和应用类加载器(application class loader)，均由 Java 核心类库提供。

　　扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。它负责加载相对次要、但又通用的类，比如存放在 JRE 的 lib/ext 目录下 jar 包中的类(以及由系统变量 java.ext.dirs 指定的类)。

　　应用类加载器的父类加载器则是扩展类加载器。它负责加载应用程序路径下的类。(这里的应用程序路径，便是指虚拟机参数 -cp/-classpath、系统变量 java.class.path 或环境变量 CLASSPATH 所指定的路径。)默认情况下，应用程序中包含的类便是由应用类加载器加载的。

　　Java 9 引入了模块系统，并且略微更改了上述的类加载器1。扩展类加载器被改名为平台类加载器(platform class loader)。Java SE 中除了少数几个关键模块，比如说 java.base 是由启动类加载器加载之外，其他的模块均由平台类加载器所加载。

　　除了由 Java 核心类库提供的类加载器外，我们还可以加入自定义的类加载器，来实现特殊的加载方式。举例来说，我们可以对 class 文件进行加密，加载时再利用自定义的类加载器对其解密。

　　除了加载功能之外，类加载器还提供了命名空间的作用。在 Java 虚拟机中，类的唯一性是由类加载器实例以及类的全名一同确定的。即便是同一串字节流，经由不同的类加载器加载，也会得到两个不同的类。在大型应用中，我们往往借助这一特性，来运行同一个类的不同版本。

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