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Java 类加载机制介绍

Java 的类加载机制是 Java 虚拟机（JVM）的核心组成部分，它负责在运行时将 .class 文件中描述的类数据加载到内存中，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。这种动态加载的特性是 Java 语言实现平台无关性和强大扩展性的关键。

一个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七个阶段。其中前五个阶段构成了类加载的全过程。一个类的完整生命周期包括加载（Loading）、链接（Linking）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）这五个核心阶段，其中链接（Linking）又细分为验证（Verification）、准备（Preparation）和解析（Resolution）三个过程。这些阶段的开始顺序是确定的，但它们并非“按序执行完毕”，而是通常互相交叉地混合进行。

1. 加载 (Loading)

这是类加载过程的第一个阶段。在此阶段，JVM 主要完成三项工作：

  1. 获取字节流：通过一个类的全限定名（Fully Qualified Name），来获取定义这个类的二进制字节流。

  2. 转换数据结构：将这个字节流所代表的静态存储结构，转化为方法区（Metaspace/PermGen）中的运行时数据结构。

  3. 创建Class对象：在 Java 堆（Heap）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。

2. 链接 (Linking)
a. 验证 (Verification)

此阶段的目的是确保被加载的 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。这是一个非常重要的过程，但不是必须的（可以通过 -Xverify:none 参数关闭，以缩短类加载时间）。

验证主要包含四个阶段的检验：

  1. 文件格式验证：验证字节流是否符合 Class 文件格式规范，例如是否以魔数 0xCAFEBABE 开头，主、次版本号是否在当前虚拟机可接受范围之内。

  2. 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）。

  3. 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。这是整个验证过程中最复杂的一个阶段。

  4. 符号引用验证：对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验，确保解析阶段能正常执行。

b. 准备 (Preparation)

准备阶段是正式为 类变量（即静态变量，被 static 修饰的变量） 分配内存并设置其 初始值 的阶段。

关键点：

  • 分配对象：此阶段只处理类变量，不包括实例变量。实例变量是在对象实例化时随着对象一起分配在 Java 堆中。

  • 初始值：通常情况下，初始值是数据类型的“零值”（如 0、0L、null、false 等），而不是在 Java 代码中显式赋予的值。

    • 例如：public static int value = 123; 在准备阶段后，value 的值是 0 而不是 123。把 value 赋值为 123 的 putstatic 指令，是在初始化阶段才会执行。

  • 特殊情况：如果类字段的字段属性表中存在 ConstantValue 属性（即被 public static final 修饰），那么在准备阶段，变量就会被初始化为 ConstantValue 属性所指定的值。

    • 例如：public static final int value = 123; 在准备阶段 value 就会被直接赋值为 123。
c. 解析 (Resolution)

解析阶段是虚拟机将常量池内的 符号引用 (Symbolic References) 替换为 直接引用 (Direct References) 的过程。

  • 符号引用：以一组符号来描述所引用的目标，与虚拟机实现的内存布局无关。例如，java/lang/String 就是一个符号引用。

  • 直接引用：可以直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄，与虚拟机实现的内存布局相关。

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这 7 类符号引用进行。

3. 初始化 (Initialization)

这是类加载过程的最后一步，也是真正开始执行类中定义的 Java 程序代码（字节码）的阶段。此阶段的核心是执行类构造器 <clinit>() 方法。

关于 <clinit>() 方法：

  • 来源：它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。

  • 父类优先：JVM 会保证在子类的 <clinit>() 方法执行前，其父类的 <clinit>() 方法已经执行完毕。因此，在 JVM 中第一个被执行的 <clinit>() 方法的类肯定是 java.lang.Object。

  • 非必需：如果一个类中没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成 <clinit>() 方法。

  • 线程安全：JVM 必须保证一个类的 <clinit>() 方法在多线程环境中被正确地加锁和同步。如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的 <clinit>() 方法，其他线程都需要阻塞等待。

触发初始化的时机（主动使用）：

Java 虚拟机规范严格规定了有且只有六种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始），这六种行为称为对一个类的“主动使用”。

  1. 遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这四条字节码指令时。对应的 Java 代码场景是：

    • 使用 new 关键字实例化对象。

    • 读取或设置一个类型的静态字段（被 final 修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）。

    • 调用一个类型的静态方法。

  2. 使用 java.lang.reflect 包的方法对类型进行反射调用的时候。

  3. 当初始化类的时候，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 JDK 7 新加入的动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果为 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

  6. 当一个接口中定义了 JDK 8 新加入的默认方法（被 default 关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。