JVM类加载机制--类加载过程

包含了加载、验证、准备、解析和初始化这 5 个阶段。

1. 加载

“加载”是“类加载”（Class Loading）过程的一个阶段，注意不要混淆。

在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事：

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存储结构。
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。

其中二进制字节流可以从以下方式中获取：

• 从 ZIP 包读取，成为 JAR、EAR、WAR 格式的基础。
• 从网络中获取，这种场景最典型的应用是 Applet。
• 运行时计算生成，这种场景使用得最多的就是动态代理技术，在 java.lang.reflect.Proxy 使用 ProxyGenerator.generateProxyClass 的代理类的二进制字节流。
• 由其他文件生成，典型场景是JSP应用，即由 JSP 文件生成对应的 Class 类。

加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象（并没有明确规定是在Java堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里面），这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。

2. 验证

验证是连接的第一步，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。

验证阶段非常重要，这个阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机是否能够承受恶意代码的攻击，从执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中又占了相当大的一部分。

从整体上看，验证阶段大致上完成下面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。

3. 准备

类变量是被 static 修饰的变量，准备阶段为类变量分配内存并设置初始值，使用的内存都将在方法区中进行分配。

实例变量不会在这阶段分配内存，它将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。

注意，实例化不是类加载的一个过程，类加载发生在所有实例化操作之前，并且类加载只进行一次，实例化可以进行多次。

初始值一般为零值，例如下面的类变量 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，把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。

public static int value = 123;

表1列出了Java中所有基本数据类型的零值。

表1 基本数据类型的零值

数据类型	零值	数据类型	零值
int	0	boolean	false
long	0L	float	0.0f
short	(short) 0	double	0.0d
char	'\u0000'	reference	null
byte	(byte) 0

如果类变量是常量，那么会按照表达式来进行初始化，而不是赋值为 0。

public static final int value = 123;

4. 解析

解析阶段是虚拟机将常量池的符号引用替换为直接引用的过程。

其中解析过程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 的动态绑定。

5. 初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。

初始化阶段才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码（或者说字节码）。初始化阶段即虚拟机执行类构造器 () 方法的过程。

在准备阶段，类变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，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。

() 方法具有以下特点：

• 是由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并产生的，编译器收集的顺序由语句在源文件中出现的顺序决定。特别注意的是，静态语句块只能访问到定义在它之前的类变量，定义在它之后的类变量只能赋值，不能访问。例如以下代码：

public class Test {
    static {
        i = 0;                // 给变量赋值可以正常编译通过
        System.out.print(i);  // 这句编译器会提示“非法向前引用”
    }
    static int i = 1;
}

• 与类的构造函数（或者说实例构造器 ()）不同，不需要显式的调用父类的构造器。虚拟机会自动保证在子类的 () 方法运行之前，父类的 () 方法已经执行结束。因此虚拟机中第一个执行 () 方法的类肯定为 java.lang.Object。

• 由于父类的 () 方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块的执行要优先于子类。例如以下代码：

static class Parent {
    public static int A = 1;
    static {
        A = 2;
    }
}

static class Sub extends Parent {
    public static int B = A;
}

public static void main(String[] args) {
     System.out.println(Sub.B);  // 2
}

• () 方法对于类或接口不是必须的，如果一个类中不包含静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，编译器可以不为该类生成 () 方法。

• 接口中不可以使用静态语句块，但仍然有类变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成 () 方法。但接口与类不同的是，执行接口的 () 方法不需要先执行父接口的 () 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。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的 () 方法。

• 虚拟机会保证一个类的 () 方法在多线程环境下被正确的加锁和同步，如果多个线程同时初始化一个类，只会有一个线程执行这个类的 () 方法，其它线程都会阻塞等待，直到活动线程执行 () 方法完毕。如果在一个类的 () 方法中有耗时的操作，就可能造成多个线程阻塞，在实际过程中此种阻塞很隐蔽。

参考自：《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践(第2版)》周志明