类加载机制概述

什么是类加载机制：

我们知道，一个.java文件在编译后会形成相应的一个或多个Class文件（若一个类中含有内部类，则编译后会产生多个Class文件），但这些Class文件中描述的各种信息，最终都需要加载到虚拟机中之后才能被运行和使用。事实上，虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验，转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型的过程就是虚拟机的类加载机制。

类型加载和连接是在runtime进行的

与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同，在Java语言里面，类型的加载和连接都是在程序运行期间完成，这样会在类加载时稍微增加一些性能开销，但是却能为Java应用程序提供高度的灵活性，Java中天生可以动态扩展的语言特性多态就是依赖运行期动态加载和动态链接这个特点实现的。例如，如果编写一个使用接口的应用程序，可以等到运行时再指定其实际的实现。这种组装应用程序的方式广泛应用于Java程序之中。

类加载的七个阶段

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（Loading）、验证（Verification）、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using) 和 卸载(Unloading)七个阶段。其中准备、验证、解析3个部分统称为连接（Linking），如图所示：
JVM类生命周期概述：加载时机与加载过程 - 图1
加载、验证、准备、初始化和卸载这5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地开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。特别需要注意的是，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。

虚拟机什么时候才会加载Class文件并初始化类呢？

1. 类加载的时机

什么情况下虚拟机需要开始加载一个类呢？虚拟机规范中并没有对此进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。

2. 类初始化时机

那么，什么情况下虚拟机需要开始初始化一个类呢？这在虚拟机规范中是有严格规定的，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这四条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先对其进行初始化。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（被final修饰，已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候；
  • 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。java代码场景：

  • Class.forName(“全类名”)
  • 类名.class

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

特别需要指出的是，类的实例化与类的初始化是两个完全不同的概念：

  • 类的实例化是指创建一个类的实例(对象)的过程；
  • 类的初始化是指为类中各个类成员(被static修饰的成员变量)赋初始值的过程，是类生命周期中的一个阶段。

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，不会触发此类的初始化

  1. public class NotInitialization{
  2.     public static void main(String[] args){
  3.         SClass[] sca = new SClass[10];
  4.     }
  5. }

3)、常量(public static final)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

  1. public class ConstClass{
  2.     public static  final String CONSTANT = "hello world";
  3. }

4)、创建内部静态类实例时，不会初始化外部类

虚拟机加载一个Class文件要经历那些具体的步骤呢？

我们在上文已经提到过一个类的生命周期包括加载（Loading）、验证（Verification）、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using) 和 卸载(Unloading)七个阶段。现在我们一一学习一下JVM在加载、验证、准备、解析和初始化五个阶段是如何对每个类进行操作的。
1、加载（Loading）
　　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（并没有指明要从一个Class文件中获取，可以从其他渠道，譬如：网络、动态生成、数据库等）；
　　(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(对于HotSpot虚拟就而言就是方法区)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（Linking）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，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，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（Verification）
　　验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保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
  • 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(Preparation)
　　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。这时候进行内存分配的仅包括类变量，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在堆中。其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：

  1. public static int value = 123;

那么，变量value在准备阶段过后的值为0而不是123。把value赋值为123的动作将在类的初始化阶段才会执行。

4、解析(Resolution)
　　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(Initialization)
　　类初始化阶段是类加载过程的最后一步。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的静态代码块。在初始化阶段，类成员变量才被赋予我们代码中规定的值。
在同一个类加载器下，一个类型只会被初始化一次。即，public static int value = 123;只会执行一次。

典型案例分析

我们知道，在Java中， 创建一个对象常常需要经历如下几个过程：父类的类构造器() -> 子类的类构造器() -> 父类的成员变量和实例代码块 -> 父类的构造函数 -> 子类的成员变量和实例代码块 -> 子类的构造函数**。**
那么，我们看看下面的程序的输出结果：

  1. public class StaticTest {
  2.     public static void main(String[] args) {
  3.         staticFunction();
  4.     }
  6.     static StaticTest st = new StaticTest();
  8.     static {   //静态代码块
  9.         System.out.println("1");
  10.     }
  12.     {       // 实例代码块
  13.         System.out.println("2");
  14.     }
  16.     StaticTest() {    // 实例构造器
  17.         System.out.println("3");
  18.         System.out.println("a=" + a + ",b=" + b);
  19.     }
  21.     public static void staticFunction() {   // 静态方法
  22.         System.out.println("4");
  23.     }
  25.     int a = 110;    // 实例变量
  26.     static int b = 112;     // 静态变量
  27. }/* Output: 
  28.         2
  29.         3
  30.         a=110,b=0
  31.         1
  32.         4
  33.  *///:~

大家能得到正确答案吗？虽然笔者勉强猜出了正确答案，但总感觉怪怪的。因为在初始化阶段，当JVM对类StaticTest进行初始化时，首先会执行下面的语句：

  1. static StaticTest st = new StaticTest();

也就是实例化StaticTest对象，但这个时候类都没有初始化完毕啊，能直接进行实例化吗？事实上，这涉及到一个根本问题就是：实例初始化不一定要在类初始化结束之后才开始初始化。因此，在实例化上述程序中的st变量时，实际上是把实例初始化嵌入到了静态初始化流程中，并且在上面的程序中，嵌入到了静态初始化的起始位置。这就导致了实例初始化完全发生在静态初始化之前。