Java類加載與初始化

在了解Java的機制之前，需要先了解類在JVM（Java虛拟機）中是如何加載的，這對後面了解java其它機制将有重要作用。

每個類編譯後産生一個Class對象，存儲在.class檔案中，JVM使用類加載器（Class Loader）來加載類的位元組碼檔案（.class），類加載器實質上是一條類加載器鍊，一般的，我們隻會用到一個原生的類加載器，它隻加載Java API等可信類，通常隻是在本地磁盤中加載，這些類一般就夠我們使用了。如果我們需要從遠端網絡或資料庫中下載下傳.class位元組碼檔案，那就需要我們來挂載額外的類加載器。

一般來說，類加載器是按照樹形的層次結構組織的，每個加載器都有一個父類加載器。另外，每個類加載器都支援代理模式，即可以自己完成Java類的加載工作，也可以代理給其它類加載器。

類加載器的加載順序有兩種，一種是父類優先政策，一種是是自己優先政策，父類優先政策是比較一般的情況（如JDK采用的就是這種方式），在這種政策下，類在加載某個Java類之前，會嘗試代理給其父類加載器，隻有當父類加載器找不到時，才嘗試自己去加載。自己優先的政策與父類優先相反，它會首先嘗試子經濟加載，找不到的時候才要父類加載器去加載，這種在web容器（如tomcat）中比較常見。

不管使用什麼樣的類加載器，類，都是在第一次被用到時，動态加載到JVM的。這句話有兩層含義：

Java程式在運作時并不一定被完整加載，隻有當發現該類還沒有加載時，才去本地或遠端查找類的.class檔案并驗證和加載；

當程式建立了第一個對類的靜态成員的引用（如類的靜态變量、靜态方法、構造方法——構造方法也是靜态的）時，才會加載該類。Java的這個特性叫做：動态加載。

需要區分加載和初始化的差別，加載了一個類的.class檔案，不以為着該Class對象被初始化，事實上，一個類的初始化包括3個步驟：

加載（Loading），由類加載器執行，查找位元組碼，并建立一個Class對象（隻是建立）；

連結（Linking），驗證位元組碼，為靜态域配置設定存儲空間（隻是配置設定，并不初始化該存儲空間），解析該類建立所需要的對其它類的應用；

初始化（Initialization），首先執行靜态初始化塊static{}，初始化靜态變量，執行靜态方法（如構造方法）。

Java在加載了類之後，需要進行連結的步驟，連結簡單地說，就是将已經加載的java二進制代碼組合到JVM運作狀态中去。它包括3個步驟：

驗證（Verification），驗證是保證二進制位元組碼在結構上的正确性，具體來說，工作包括檢測類型正确性，接入屬性正确性（public、private），檢查final class 沒有被繼承，檢查靜态變量的正确性等。

準備（Preparation），準備階段主要是建立靜态域，配置設定空間，給這些域設預設值，需要注意的是兩點：一個是在準備階段不會執行任何代碼，僅僅是設定預設值，二個是這些預設值是這樣配置設定的，原生類型全部設為0，如：float:0f,int 0, long 0L, boolean:0（布爾類型也是0），其它引用類型為null。

解析（Resolution），解析的過程就是對類中的接口、類、方法、變量的符号引用進行解析并定位，解析成直接引用（符号引用就是編碼是用字元串表示某個變量、接口的位置，直接引用就是根據符号引用翻譯出來的位址），并保證這些類被正确的找到。解析的過程可能導緻其它的類被加載。需要注意的是，根據不同的解析政策，這一步不一定是必須的，有些解析政策在解析時遞歸的把所有引用解析，這是early resolution，要求所有引用都必須存在；還有一種政策是late resolution，這也是Oracle 的JDK所采取的政策，即在類隻是被引用了，還沒有被真正用到時，并不進行解析，隻有當真正用到了，才去加載和解析這個類。

注 意：在《Java程式設計思想》中，說static{}子句是在類第一次加載時執行且執行一次（可能是筆誤或翻譯錯誤，因為此書的例子顯示static是在第 一次初始化時執行的），《Java深度曆險》中說 static{}是在第一次執行個體化時執行且執行一次，這兩種應該都是錯誤的，static{}是在第一次初始化時執行，且隻執行一次；用下面的代碼可以判 定出來：

可以看到，不執行個體化，隻執行forName初始化時，仍然會執行static{}子句，但不執行構造方法，是以輸出的隻有Initializing，沒有Building。

關于初始化，@阿春阿曉 在本文的評論中給出了很詳細的場景，感謝@阿春阿曉：

根據java虛拟機規範，所有java虛拟機實作必須在每個類或接口被java程式首次主動使用時才初始化。

主動使用有以下6種：

1) 建立類的執行個體

2) 通路某個類或者接口的靜态變量，或者對該靜态變量指派（如果通路靜态編譯時常量(即編譯時可以确定值的常量)不會導緻類的初始化）

3) 調用類的靜态方法

4) 反射（Class.forName(xxx.xxx.xxx)）

5) 初始化一個類的子類（相當于對父類的主動使用），不過直接通過子類引用父類元素，不會引起子類的初始化（參見示例6）

6) Java虛拟機被标明為啟動類的類（包含main方法的）

類與接口的初始化不同，如果一個類被初始化，則其父類或父接口也會被初始化，但如果一個接口初始化，則不會引起其父接口的初始化。

1，通過上面的講解，将可以了解下面的程式（下面的程式部分來自于《Java程式設計思想》）：

對上面的程式段，第一次調用Class.forName("Toy")，将執行static子句；如果在之後執行new Toy()都隻執行構造方法。

2，需要注意newInstance()方法

3，用類字面常量 .class和Class.forName都可以建立對類的應用，但是不同點在于，用Gum.class建立Class對象的應用時，不會自動初始化該Class對象（static子句不會執行）

使用Toy.class是在編譯期執行的，是以在編譯時必須已經有了Toy的.class檔案，不然會編譯失敗，這與 Class.forName("myblog.classloader.Toy")不同，後者是運作時動态加載。

但是，如果該main方法是直接寫在Toy類中，那麼調用Toy.class，會引起初始化，并輸出Initializing，原因并不是Toy.class引起的，而是該類中含有啟動方法main，該方法會導緻Toy的初始化。

 4，編譯時常量。回到完整的類Toy，如果直接輸出：System.out.println(Toy.price)，會發現static子句和構造方法都沒有被執行，這是因為Toy中，常量price被static final限定，這樣的常量叫做編譯時常量，對于這種常量，不需要初始化就可以讀取。

編譯時常量必須滿足3個條件：static的，final的，常量。

下面幾種都不是編譯時常量，對它們的應用，都會引起類的初始化：

5，static塊的本質。注意下面的代碼：

這段代碼的輸出是什麼呢？Initialing在c、d、e之前輸出，還是在之後？e輸出的是5還是10？

執行一下，結果為：

答案是3最先輸出，Intializing随後輸出，e輸出的是10，為什麼呢？

原因是這樣的：輸出c時，由于c是編譯時常量，不會引起類初始化，是以直接輸出，輸出d時，d不是編譯時常量，是以會引起初始化操作，即static塊的執行，于是d被指派為5，e被指派為10，然後輸出Initializing，之後輸出d為5，e為10。

但e為什麼是10呢？原來，JDK會自動為e的初始化建立一個static塊（參考：http://www.java3z.com/cwbwebhome/article/article8/81101.html?id=2497），是以上面的代碼等價于：

可見，按順序執行，e先被初始化為5，再被初始化為10，于是輸出了10。

類似的，容易想到下面的代碼：

在這段代碼中，對e的聲明被放到static塊後面，于是，e會先被初始化為10，再被初始化為5，是以這段代碼中e會輸出為5。

6，當通路一個Java類或接口的靜态域時，隻有真正聲明這個域的類或接口才會被初始化（《Java深度曆險》）

在該例子中，雖然通過A來引用了value，但value是在父類B中聲明的，是以隻會初始化B，而不會引起A的初始化。