Java 类加载机制 - 类加载的时机和过程

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类加载的时机

类从被加载到虚拟机开始，到卸载为止，生命周期如图所示：

其中，加载、验证、准备、初始化、卸载这五个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班的开始（开始不代表完成，通常为交叉混合运行），而解析阶段不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始。

Java 虚拟机规定有且只有 5 种情况必须立即对类进行 “初始化”：

  1. 遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这 4 条字节码指令（new 实例化对象、读取或设置静态字段、调用静态方法）；
  2. 使用 java.lang.reflect 包的方法进行反射调用；
  3. 初始化一个类时，其父类如未初始化，则需要先初始化其父类；
  4. 虚拟机启动时，用户指定的要执行的主类（包含 main 方法的那个类）；
  5. 使用 JDK1.7 的动态语言支持时，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，并且句柄所对应的类没有进行初始化；

类加载的过程

加载

“加载” 阶段，虚拟机需要完成下面 3 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该类的 java.lang.Class 对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

注意：加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始。

验证

验证是连接阶段的第一步，目的是确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会威胁虚拟机自身的安全。 验证阶段大致上会完成下面 4 个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

  1. 文件格式验证：验证字节流是否符合 Class 文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理，通过验证后字节流进入方法区；
  2. 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析，保证其描述的信息符合 Java 语言规范的要求；
  3. 字节码验证：最复杂，通过数据流和控制流分析确定程序语义是否合法、符合逻辑；
  4. 符号引用验证：该验证发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用时，该动作发生在解析阶段。可以看做是对类自身以外的信息进行匹配性校验；

准备

正式为类变量（static 修饰的变量）分配内存并设置初始值的阶段，这些变量所使用的内存将在方法区中进行分配。 通常情况下是对应类型的 “零值”，真正的用户定义的初值要在初始化阶段完成。例如： public static int value = 123; 变量 value 在准备阶段过后的初始值将是 0 而不是 123，因为这是并未执行任何 java 方法，而是把 value 赋值为 123 的 putstatic 指令是程序编译后，存放于类构造器 <clinit>() 方法中，因此该动作在初始化阶段才会执行。

注意：这里是指 “通常情况”，如果字段的字段属性表中存在 ConstantValue 属性，那在准备阶段变量就将被赋予 ConstantValue 属性所指的值，例如：

1
public static final int value = 123;

编译的时候 javac 会为 value 生成 ConstantValue 属性，在准备阶段虚拟机会根据 ConstantValue 的设置将 value 赋值为 123.

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。

  • 符号引用：是一组符号来描述所引用的目标，其字面量形式明确定义在 Java 虚拟机规范的 Class 文件格式中；
  • 直接引用：可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个能间接定位到目标的句柄。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，在准备阶段变量已经被附过一次系统要求的初始值（通常为 “零值”）, 而在初始化阶段，则根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其它资源。换言之，初始化阶段就是执行类构造器 () 方法的过程。

  • <clinit>() 方法是由编译器自动收集类中的所有变量的赋值动作和静态语句块（static{} 块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是语句在源文件中出现的顺序决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量在之前可以访问但不能赋值；
  • <clinit>() 方法与类构造函数（或者说实例构造器 <init>() 方法）不同，它不需要显示调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的 <clinit>() 方法执行之前父类的已经执行完毕，因此虚拟机中第一个被执行的 <clinit>() 方法一定是 java.lang.Object；
  • 由于父类的 <clinit>() 方法先执行，意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作；
  • <clinit>() 方法对于类或者接口不是必须的，如果一个类没有静态语句块和变量的赋值操作，那编译器就可以不为这个类生成 <clinit>() 方法；
  • 接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口也会生成 <clinit>() 方法。但接口不需要先执行父接口的 <clinti>() 方法，只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。接口的实现类初始化时一样不会执行接口的 <clinit>() 方法；
  • 虚拟机会保证一个类的 <clinit>() 方法在多线程环境中被正确的加锁、同步。如果多线程同时执行某一个类的 <clinit>() 方法，那么只会有一个线程去执行，其它线程将会阻塞等待，直到活动线程执行完毕，需要注意的是，当活动线程执行完毕后，其它线程唤醒之后并不会再次进入 <clinit>() 方法。同一个类加载器下，一个类型只会被初始化一次。
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