JVM类加载机制 - 好文

一、类加载机制

一个.java文件在编译后会形成相应的一个或多个Class文件，这些Class文件中描述了类的各种信息，并且它们最终都需要被加载到虚拟机中才能被运行和使用。

JVM把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验，转换解析和初始化，最终形成可以被JVM直接使用的Java类型的过程就是类加载机制。

二、类加载过程

Java类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载七个阶段。

其中准备、验证、解析3个部分统称为连接。类加载过程包括：加载、连接、初始化。

类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始
，而不是按部就班的“进行”或“完成”，因为这些阶段通常都是相互交叉地混合式进行的，也就是说通常会在一个阶段执行的过程中调用或激活另外一个阶段。

1、加载

在加载阶段（可以参考java.lang.ClassLoader的loadClass()方法），虚拟机需要完成以下三件事情：

（1）通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；

（2）将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；

（3）在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口；

加载阶段和连接阶段的部分内容（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

2、验证

目的：确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范(例如，是否以魔术0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型)

元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求(例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外)；

字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的;

符号引用验证：确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响。如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

3、准备

准备阶段是正式为类变量(static 成员变量)分配内存并设置类变量初始值（零值）的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

public static int value = 123; // 经过准备阶段 value==0; 把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。

public static final int value = 123; // 经过准备阶段 value==123;

4、解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。

5、初始化

初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

<clinit>()方法是由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{}中的语句合并产生的。
如果一个类中没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生产类构造器<clinit>()。

顺序：

（1）编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的，定义在静态语句块之前的变量静态语句块中可以随意访问，定义在静态语句块之后的变量
静态语句块不能访问但是可以赋值（因为准备阶段分配过内存空间了）。

（2）先执行父类的类构造<clinit>()，后执行子类类构造器<clinit>()。意味着父类中定义的静态语句块/静态变量的初始化要优先于子类的静态语句块/静态变量的初始化执行。

举例按顺序执行：
public class Test{ static{ i=0; System.out.println(i);//Error：Cannot reference
a field before it is defined（非法向前应用） } static int i=1; }
并发：

　　虚拟机会保证一个类的类构造器<clinit>()在多线程环境中被正确的加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的类构造器<clinit>()，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。

特别需要注意的是，在这种情形下，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行<clinit>()方法的那条线程退出后，其他线程在唤醒之后不会再次进入/执行<clinit>()方法，因为
在同一个类加载器下，一个类型只会被初始化一次。

初始化时机：

虚拟机规范指明有且只有五种情况必须立即对类进行初始化（而这一过程自然发生在加载、验证、准备之后）：

（1）遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令，生成这四条指令的最常见的Java代码场景是：

　　使用new关键字实例化对象的时候；

　　读取或设置一个类的静态字段的时候；（static final修饰的变量在编译器把结果放入常量池，不需要初始化）

　　调用一个类的静态方法的时候。

（2）使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

（3）当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。

（4）当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。

（5）当使用jdk1.7动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getstatic,REF_putstatic,REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行初始化，则需要先出触发其初始化。

这五种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。除此之外，所有引用类的方式，都不会触发初始化，称为被动引用。被动引用的几种经典场景：

（1）通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。

（2）通过数组定义来引用类，只是数组类型本身的初始化，不会触发此类的初始化。

　　比如，new
String[]只会直接触发String[]类的初始化，也就是触发对类[Ljava.lang.String的初始化，而直接不会触发String类的初始化。

（3）常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。（准备阶段已经赋值，所以不需要初始化）

举例1：子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。
public class SSClass{ static{ System.out.println("SSClass"); } } public class
SClassextends SSClass{ static{ System.out.println("SClass init!"); } public
static int value = 123; public SClass(){ System.out.println("init SClass"); } }
public class SubClass extends SClass{ static{ System.out.println("SubClass init"
); }static int a; public SubClass(){ System.out.println("init SubClass"); } }
public class NotInitialization{ public static void main(String[] args){
System.out.println(SubClass.value); } }/* Output: SSClass SClass init! 123 */
举例2：调用常量，不会触发定义常量的类的初始化。
public class ConstClass{ static{ System.out.println("ConstClass init!"); }
public static final String CONSTANT = "hello world"; } public class
NotInitialization{public static void main(String[] args){
System.out.println(ConstClass.CONSTANT); } }/* Output: hello world */

参考资料：

JVM类生命周期概述：加载时机与加载过程
<https://blog.csdn.net/justloveyou_/article/details/72466105>

Java虚拟机类加载机制 <https://blog.csdn.net/u013256816/article/details/50829596>

深入理解Java对象的创建过程：类的初始化与实例化
<https://blog.csdn.net/justloveyou_/article/details/72466416>

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