JVM系列（一）：JVM类加载过程详解

Java 通过引入字节码和 JVM 机制，提供了强大的跨平台能力，理解 Java 的类加载机制是深入 Java 开发的必要条件。

一、Java代码执行流程

Java程序运行时，必须经过编译和运行两个步骤。首先将后缀名为.java的源文件进行编译，最终生成后缀名为.class的字节码文件。然后JVM虚拟机启动时，会初始化好类加载器(ClassLoader)。通过ClassLoader，JVM将编译好的字节码文件加载到内存（类加载）。最后由JVM对加载到内存的java类进行解释执行，显示结果。

以我们常见的Test.java为例，具体流程如下图所示：

二、类加载过程

类加载过程主要分为三个步骤：加载、链接、初始化，而其中链接过程又分为三个步骤：验证、准备、解析，加上卸载、使用两个步骤统称为为类的生命周期。

加载

简单来说，加载指的是把class字节码文件从各个来源通过类加载器装载入内存中。

1、字节码来源

由于没有具体指明需要在哪里获取class文件，导致字节码来源途径非常丰富：

• 从压缩包中读取，如jar、war

• 从网络中获取，如Web Applet

• 动态生成，如动态代理、CGLIB

• 由其他文件生成，如JSP

• 从数据库读取

• 从加密文件中读取

2、内存储存

• 将静态储存解析成运行时数据，存放在方法区

• 在堆区生成该类的Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

链接

验证

验证阶段主要是为了为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合虚拟机要求，并且不会危害虚拟机。

而验证主要分为以下四类：

• 文件格式验证

• 元数据验证

• 字节码验证

• 符号引用验证

准备

准备阶段会为类的静态变量分配内存、赋初值

数据类型

零值

int

0

long

0L

short

(short)0

char

‘’

byte

(byte)0

boolean

false

float

0.0f

double

0.0d

reference

null

需要注意的有以下几点：

• 实例变量是在创建对象的时候完成赋值的，没有赋初值一说
• final修饰的常量在编译的时候会给属性添加ConstantValue属性，准备阶段直接完成赋值，即没有赋初值这一步

解析

解析阶段会将符号引用替换为直接引用，该过程也被称为静态链接。

1、符号引用

以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可

2、直接引用

可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。而直接引用必须引用的目标已经在内存中存在。

3、动态链接

即符号引用替换为直接引用的阶段，该阶段会把一些静态方法(符号引用，比如main()方法)替换为指向数据所存内存的指针或句柄等(直接引用)。

初始化

初始化阶段是执行类构造器 () 方法的过程。这一步主要的目的是：根据程序员程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。

1、执行类构造器()方法的过程

• 对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块
• 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
• 虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确加锁和同步
• 当范围一个Java类的静态域时，只有真正声名这个域的类才会被初始化

2、初始化的时机

需要在主动引用时，才会执行初始化

• new、getstatic、putstatic、invokestatic
• 对内进行反射调用时
• 初始化一个类的子类会去加载其父类
• 启动程序所使用的main方法所在类
• 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

除了主动引用外，还有以下三种情况被称为被动引用，不会触发初始化

• 通过子类引用父类的静态字段，只会触发父类的初始化，而不会触发子类的初始化。
• 定义对象数组和集合，不会触发该类的初始化
• 类A引用类B的static final常量不会导致类B初始化（注意静态常量必须是字面值常量，否则还是会触发B的初始化）

三、触发类加载过程的时机

触发类加载过程的时机主要分为隐式加载和显示加载两种情况

隐式加载

• 创建类对象
• 使用类的静态域
• 创建子类对象
• 使用子类的静态域
• 在JVM启动时，BootStrapLoader会加载一些JVM自身运行所需的class
• 在JVM启动时，ExtClassLoader会加载指定目录下一些特殊的class
• 在JVM启动时，AppClassLoader会加载classpath路径下的class，以及main函数所在的类的class文件

显示加载

• ClassLoader.loadClass(className)：只加载和连接、不会进行初始化
• Class.forName(String name, boolean initialize,ClassLoader loader)：使用ClassLoader进行加载和连接，根据参数initialize决定是否初始化。

四、类加载完成后在内存中储存

类加载完成后主要包括类信息以及类Class对象，其中类信息保存在方法区中，类Class对象保存在堆区。

类信息主要包含运行时常量池、类型信息、字段信息、方法信息、类加载器的引用、对应class实例的引用等信息。

类加载器的引用：这个类到类加载器实例的引用

对应class实例的引用：类加载器在加载类信息放到方法区中后，会创建一个对应的Class 类型的对象实例放到堆(Heap)中, 作为开发人员访问方法区中类定义的入口和切入点。