1 概述

Java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，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。
一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历加载 （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，其中验证、准备、解析三个部分统称 为连接（Linking）。
image.png

  1. public class LoadingClassTest {
  2.     public static void main(String[] args) {
  3.         System.out.println(Sun.str);
  4.     }
  5. }
  7. class Sun extends Father {
  8.     static String str2 = "123";
  10.     static {
  11.         System.out.println("sun");
  12.     }
  13. }
  15. class Father {
  16.     static String str = "123";
  18.     static {
  19.         System.out.println("father");
  20.     }
  21. }

输出：

  1. father
  2. 123

对于静态字段， 只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。

  1. public class LoadingClassTest {
  2.     public static void main(String[] args) {
  3.         Sun[] sun = new Sun[1];
  4.     }
  5. }

通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化

  1. public class LoadingClassTest {
  2.     public static void main(String[] args) {
  3.         // System.out.println(Sun.str);
  4.        // Sun[] sun = new Sun[1];
  5.         System.out.println(Father.VALUE);
  6.     }
  7. }
  9. class Sun extends Father {
  10.     static String str2 = "123";
  12.     static {
  13.         System.out.println("sun");
  14.     }
  15. }
  17. class Father {
  18.     static String str = "123";
  19.     final static String VALUE = "456";
  20.     static {
  21.         System.out.println("father");
  22.     }
  23. }

常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上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

1.1 加载

“加载”（Loading）阶段是整个“类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段，希望读者没有混淆 这两个看起来很相似的名词。在加载阶段，Java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。

    1.2 验证

    验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚 拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。
    文件格式验证：
    第一阶段要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。
    是否以魔数0xCAFEBABE开头。
    ·主、次版本号是否在当前Java虚拟机接受范围之内。
    ·常量池的常量中是否有不被支持的常量类型（检查常量tag标志）。
    元数据验证：
    ·这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）。
    ·这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）。
    ·如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法。
    ·类中的字段、方法是否与父类产生矛盾。
    字节码验证：
    ·保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现类似于“在操作 栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中”这样的情况。
    ·保证任何跳转指令都不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
    ·保证方法体中的类型转换总是有效的，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这是安全 的，但是把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个 数据类型，则是危险和不合法的。
    符号引用验证：
    ·符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。
    ·在指定类中是否存在符合方法的字段描述符及简单名称所描述的方法和字段。
    ·符号引用中的类、字段、方法的可访问性（private、protected、public、）是否可被当前类访问。

    1.3 准备

    准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。
    关于准备阶段，还有两个容易产生混淆的概念笔者需要着重强调，首先是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Java堆中。其 次是这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。
    1. public static int value = 123;
    那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时尚未开始执行任何Java方法，而把 value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器()方法之中，所以把value赋值 为123的动作要到类的初始化阶段才会被执行。
    1. public static final int value = 123;
    编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据Con-stantValue的设置将value赋值为123。

    1.4 解析

    解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程

    1.4.1 类或接口的解析

    假设当前代码所处的类为D，如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接
    引用，那虚拟机完成整个解析的过程需要包括以下3个步骤：
    1）如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个 类C。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作，例 如加载这个类的父类或实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就将宣告失败。
    2）如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类似“[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第一点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成一个代表该数组维度和元 素的数组对象。
    3）如果上面两步没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。如果发现不具备访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

    1.4.2 字段解析

    要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先将会对字段表内class_index[3]项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用。如果在解析这个类或接口符号引用的过程中出现了任何异常，都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功完成，那把这个字段所属的类或接口用C表示，《Java虚拟机规范》要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索：
    1）如果C本身就包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引
    用，查找结束。
    2）否则，如果在C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和它的父接口，如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
    3）否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
    4）否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

    1.4.3 方法解析

    方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也是需要先解析出方法表的class_index[4]项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，那么我们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的方法搜索：
    1）由于Class文件格式中类的方法和接口的方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类的方法表中发现class_index中索引的C是个接口的话，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
    2）如果通过了第一步，在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
    3）否则，在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返 回这个方法的直接引用，查找结束。
    4）否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标 相匹配的方法，如果存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，这时候查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
    5）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。
    最后，如果查找过程成功返回了直接引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不具备对此方法的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

    1.4.4 接口方法解析

    接口方法也是需要先解析出接口方法表的class_index[5]项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，依然用C表示这个接口，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜 索：
    1）与类的方法解析相反，如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口，那么就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
    2）否则，在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
    3）否则，在接口C的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类（接口方法的查找范围也会包括Object类中的方法）为止，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
    4）对于规则3，由于Java的接口允许多重继承，如果C的不同父接口中存有多个简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，那将会从这多个方法中返回其中一个并结束查找，《Java虚拟机规范》中并 没有进一步规则约束应该返回哪一个接口方法。但与之前字段查找类似地，不同发行商实现的Javac编译器有可能会按照更严格的约束拒绝编译这种代码来避免不确定性。
    5）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

    1.5 初始化

    类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，之前介绍的几个类加载的动作里，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。
    初始化阶段就是执行类构造器()方法的过程。()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物。·()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{}块）中的
    语句合并产生的，编译器收集的顺序是由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，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问。
    ()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的()方法执行前，父类的()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的()方法的类型肯定是java.lang.Object。
    ·Java虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有其中一个线程去执行这个类的()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行完毕()方法。如果在一个类的()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。
  • 方法 的内容: 所有的类变量初始化语句和类型的静态初始化器
  • 类的初始化时机: 即在java代码中首次主动使用的时候, 包含以下情形:
    - (首次)创建某个类的新实例时—new, 反射, 克隆 或 反序列化;
    - (首次)调用某个类的静态方法时;
    - (首次)使用某个类或接口的静态字段或对该字段(final 字段除外)赋值时;
    - (首次)调用java的某些反射方法时;
    - (首次)初始化某个类的子类时;
    - (首次)在虚拟机启动时某个含有 main() 方法的那个启动类

注意: 并非所有的类都会拥有一个方法, 满足下列条件之一的类不会拥有方法:

  1. 该类既没有声明任何类变量，也没有静态初始化语句;
  2. 该类声明了类变量，但没有明确使用类变量初始化语句或静态初始化语句初始化;
  3. 该类仅包含静态 final 变量的类变量初始化语句，并且类变量初始化语句是编译时常量表达式;