Java原始碼分析——Class類、ClassLoader類解析(一) 類的抽象與獲取
Class類是集合了所有類的屬性、行為的抽象，描述類的修飾、類的構造器、類的欄位以及類的方法等抽象，這裡的類是指廣泛的類，包括了介面、註解、陣列等。簡單的來說，它涵蓋了所有類的共性，所以研究它時，應當從所有類的共性出發，來探討其中的內容。而ClassLoader類則是負責了類的載入這一塊，負責將Class類物件從jvm中加載出來。
雖然Class類是所有類的抽象，但是它依舊是與其它類一樣具有共同性，建立一個自定義Test類，經過編譯會產生一個Test.class位元組碼檔案，該位元組碼檔案儲存著Test類的抽象，也就是儲存著Test類的各種型別與方法等，jvm會通過它來建立Test類對應的Class類物件，jvm再通過該Class類物件來建立Test例項。不管建立多少個例項，位元組碼檔案始終只有一個，且所有的例項都依賴於該Class物件。這也是所有類的hashcode都有唯一性的一個原因。
當我們new一個新物件或者引用靜態成員變數時，JVM中的類載入器子系統會將對應Class類物件載入到JVM中，這個過程也就是通過類載入器將位元組碼檔案轉化為Class類物件，然後JVM再根據這個型別資訊相關的Class類物件建立我們需要例項物件或者提供靜態變數的引用值。但在實際中中，Class類物件是不能被外部建立的，它只能從jvm中載入其物件，因為只有私有構造方法，必須通過forName與getClass方法來獲取，所以不會存在Class.class檔案，但會存在其它類的位元組碼檔案：
private Class(ClassLoader loader) 那麼如何來載入一個Class類物件或者獲取一個Class類物件的引用呢？在其內部提供了forName方法：
@CallerSensitive
public static Class<?> forName(String className)
throws ClassNotFoundException {
Class<?> caller = Reflection.getCallerClass 該方法通過Reflection反射類的getCallerClass本地方法來獲取當前類的Class物件的引用，但這個Class類物件是隻有標明是屬於哪一個類的，但裡面並沒有載入進對應類的資訊。後呼叫forName0本地方法來對Class類物件進行初始化載入，載入對應類的靜態程式碼塊與靜態屬性以及執行靜態方法（構造方法除外），也就是說getCallerClass獲取其Class物件時並沒有對類進行初始化，先用另外一個forName方法測試，這個方法可以手動開關forName0方法的初始化，如下程式碼所示：
class Kt{
static{
System.out.println("載入了3。。。。");
}
{
System.out.println("載入了。。。。");
}
public Kt(){
System.out.println("載入了2。。。。");
}
public void gg() throws IllegalAccessException, InstantiationException {
Reflection.getCallerClass(1);
}
}
public class Test {
public static void main(String args[]) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
System.out.println("未開啟初始化。。。。。。");
Class.forName("test.Kt",false,Kt.class.getClassLoader());
System.out.println("開啟初始化。。。。。。");
System.out.println("開啟初始化。。。。。。");
Class.forName("test.Kt",true,Kt.class.getClassLoader());
}
}
這裡用getCallerClass(int )來代替getCallerClass()，兩者效果是一樣的，證明了getCallerClass只是獲取其對應Class類物件，但是並沒有對類進行初始化載入載入。對forName0方法的解釋，官方的文件寫到：返回與具有給定字串名稱的類或介面關聯的Class物件，使用給定的類載入器載入。給定類或介面的完全限定名稱（以getName返回的相同格式）此方法嘗試查詢，載入和連結類或介面。指定的類載入器用於載入類或介面。如果引數載入器為null，則通過根類載入器載入該類。 僅當initialize引數為true且之前尚未初始化時，才會初始化該類。
private static native Class<?> forName0(String name, boolean initialize,
ClassLoader loader,
Class<?> caller)
throws ClassNotFoundException;
另外一個forName方法可以讓呼叫者手動載入靜態屬性與方法，也就是上面驗證程式碼用到的，裡面加入了java的安全管理器，如果是系統級別的載入器則不需要驗證許可權，否則就需要驗證載入器是否有載入該位元組碼檔案的許可權：
/**
* @param name 類的完全限定名
* @param initialize 是否載入
* @param loader 類載入器
* @return 一個Class物件
* @throws ClassNotFoundException
*/
@CallerSensitive
public static Class<?> forName(String name, boolean initialize,
ClassLoader loader)
throws ClassNotFoundException
{
Class<?> caller = null;
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
//只有安全管理員才需要反射呼叫來獲取呼叫者類的存在。否則，避免呼叫來產生額外的開銷
caller = Reflection.getCallerClass();
if (sun.misc.VM.isSystemDomainLoader(loader)) {
ClassLoader ccl = ClassLoader.getClassLoader(caller);
if (!sun.misc.VM.isSystemDomainLoader(ccl)) {
sm.checkPermission(
SecurityConstants.GET_CLASSLOADER_PERMISSION);
}
}
}
return forName0(name, initialize, loader, caller);
}
其實可以從上文看出java對類的載入策略，載入方式是動態載入的，當需要建立類的例項時，這時候建立一個對應Class類物件，載入進靜態程式碼塊、靜態屬性與靜態方法，然後再載入進對應類的其它方法。也就是jvm在第一次建立使用該類時載入的，將類註冊進jvm，不僅是Class類，ClassLoader類也存在這個方法，Object類、Class類、ClassLoader類是直接與jvm打交道的，它們的物件都由jvm產生與管理：
private static native void registerNatives();
static {
registerNatives();
}
當呼叫類中靜態的成員變數的引用時或者建立該類例項時（包含靜態成員變數與方法，其中構造方法也屬於靜態成員方法，所以這兩者可以統稱靜態成員變數與方法），jvm會呼叫類載入器載入位元組碼檔案來建立對應的Class類物件，再通過Class類物件裡面類的資訊來建立對應的例項。同時為防止位元組碼檔案被破壞而導致的問題，會加入了對位元組碼檔案的檢測。
在java中還提供了另外的方式來獲取Class類物件，這種方式就是類名加.class，如下程式碼：
Cat cat=new Cat();
System.out.println(Cat.class==cat.getClass());//true
System.out.println(int.class);//列印int
要注意的是，非引用型別以及void型別也會建立一個Class類物件。 不僅在Class類裡面提供了類的物件獲取，在ClassLoader類載入器類裡面也存在著Class類物件的獲取，也就是loadClass方法，該方法是一個同步方法，會呼叫父載入器來載入，該方法通過：
private native final Class<?> findLoadedClass0(String name);
findLoadedClass0本地方法來查詢jvm中指定完全限定名的一個已經載入完的Class類物件：
private final ClassLoader parent;
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 首先，檢測是否已經載入
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
if (parent != null) {
//父載入器不為空則呼叫父載入器的loadClass
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
//父載入器為空則呼叫Bootstrap Classloader
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
}
if (c == null) {
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
long t1 = System.nanoTime();
//父載入器沒有找到，則呼叫findclass，丟擲未找到異常
//該方法就是用來拋異常的
c = findClass(name);
// this is the defining class loader; record the stats
sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
}
if (resolve) {
//呼叫resolveClass()
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
我們可以用以下程式碼來判斷forName方法與loadClass方法有什麼不同：
class Kt{
static{
System.out.println("載入了3。。。。");
}
{
System.out.println("載入了。。。。");
}
public Kt(){
System.out.println("載入了2。。。。");
}
}
public class Test {
public static void main(String args[]) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
System.out.println("未開啟初始化的forName方法。。。。。。");
Class.forName("test.Kt",false,Kt.class.getClassLoader());
System.out.println("開啟初始化的forName方法。。。。。。");
Class.forName("test.Kt",true,Kt.class.getClassLoader());
System.out.println("loadClass方法。。。。。。");
ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("test.Kt");
}
}
從結果來看，loadClass方法與未開啟初始化操作的forName方法一樣只會得到一個含有完全限定名的Class類物件，也就是說loadClass並沒有載入其靜態方法、靜態程式碼塊以及靜態屬性。
上述講解了怎麼獲得一個Class類物件。下面將要講解怎麼獲得類的其它組成部分，如獲得實現介面的名字、構造體、方法、屬性、包名、父類/介面等等。在java中，每個類的屬性都定義了一個的特殊的類來描述，比如Method類就是用來描述方法的，這些類統一的定義在java.lang.reflect反射包裡，這些都會在講解反射的時候講解到。在討論之前，先來看看java中的AbstractRepository抽象類，這個類是用來存貯資訊的，是一個抽象倉庫類。GenericDeclRepository抽象類是用來存貯通用資訊的，ClassRepository類是用用來存貯類的資訊的，ConstructorRepository類用來存貯構造器的資訊的，而MethodRepository是用來存貯方法資訊的。它們之間的關係如圖示：
從圖中可以看出，它們之間的繼承關係，以及實現的方法名，除了FiledRepository，其它都繼承GenericDeclRepository倉庫，在GenericDeclRepository裡實現了獲取型別變數的getTypeParameters函式，因為Java預設Filed不需要型別變數的，但是Filed是可以使用泛型的，從其中的getGenericType方法可以看出。而方法倉庫繼承構造器倉庫，從另一方面說明了構造器是特殊的方法。拿獲取類的父類來做例子：
public Type getGenericSuperclass() {
//先得到一個倉庫
ClassRepository info = getGenericInfo();
//倉庫未建立，直接呼叫本地方法找父類
if (info == null) {
return getSuperclass();
}
//判定不是介面
if (isInterface()) {
return null;
}
//呼叫類倉庫的方法獲取父類
return info.getSuperclass();
}
其實倉庫的建立是起著一種快取的機制，因為如果每次都從jvm中拿類的屬性，會降低java整體的效能，為了提高效能，在第一次從jvm中拿到想要的資訊後存在倉庫中，後面直接從倉庫中獲取。