类的生命周期

一、类的生命周期概述

• 阶段：加载（Loading）、连接（Linking，包括验证、准备、解析）、初始化（Initialization）、使用（Using）、卸载（Unloading）。
• 顺序性：
• 加载、验证、准备、初始化顺序固定。
• 解析可能在初始化后，支持运行时绑定（动态绑定）。
• 交叉性：各阶段通常交叉进行，一个阶段可能激活另一阶段。

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二、类加载阶段

• 定义：查找并加载类的二进制数据。
• 任务：
• 通过全限定名获取类的二进制字节流。
• 将字节流转换为方法区的运行时数据结构。
• 在堆中生成 java.lang.Class 对象，作为方法区数据的入口。
• 特点：
• 可控性强，支持系统类加载器和自定义类加载器。
• 不要求首次主动使用时加载，可预加载（若失败，首次使用时抛 LinkageError）。
• 加载方式：
• 本地文件系统。
• 网络下载 .class 文件。
• ZIP/JAR 归档文件。
• 数据库提取。
• 动态编译 Java 源文件。

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三、连接阶段

1. 验证（Verification）

• 目的：确保字节流符合 JVM 规范且安全。
• 步骤：
• 文件格式验证：检查魔数（0xCAFEBABE）、版本号、常量池等。
• 元数据验证：语义分析（如是否有父类）。
• 字节码验证：数据流和控制流分析，确保逻辑合法。
• 符号引用验证：确保解析可执行。
• 可选性：可通过 -Xverify:none 关闭，缩短加载时间。

2. 准备（Preparation）

• 任务：为类变量（static）分配内存并赋默认值。
• 特点：
• 仅针对类变量，实例变量在对象实例化时分配。
• 默认值是数据类型的零值（如 int 为 0，Object 为 null）。
• 显式赋值（如 static int value = 3）在初始化阶段执行。
• 特殊情况：
• static final 常量在准备阶段赋值为 ConstantValue 属性值（如 static final int value = 3）。
• 未显式赋值的局部变量编译不通过。

3. 解析（Resolution）

• 定义：将常量池的符号引用替换为直接引用。
• 目标：
• 类/接口、字段、方法（类方法、接口方法）、方法类型、方法句柄、调用点限定符。
• 符号引用：字面量描述目标。
• 直接引用：指针、偏移量或句柄。

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四、初始化阶段

• 任务：为类变量赋正确初始值。
• 方式：
• 声明时指定初始值。
• 使用静态代码块（<clinit> 方法）。
• 步骤：
• 若类未加载和连接，先完成加载和连接。
• 若父类未初始化，先初始化父类。
• 执行类的初始化语句。
• 触发时机（主动使用）：
• 创建实例（new）。
• 访问/赋值静态变量。
• 调用静态方法。
• 反射（Class.forName）。
• 初始化子类（触发父类初始化）。
• JVM 启动时的主类。

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五、使用与卸载

• 使用：
• 通过 Class 对象访问方法区数据。
• 对象实例在堆中。
• 卸载：
• 条件：
  1. 执行 System.exit()。
  2. 程序正常结束。
  3. 异常终止。
  4. 操作系统错误导致 JVM 终止。
• 过程：类不再被引用且 GC 回收。

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六、类加载器与 JVM 类加载机制

1. 类加载器层次

• JVM 视角：
• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：C++ 实现，加载核心类库（rt.jar）。
• 其他类加载器：Java 实现，继承 ClassLoader，由启动类加载器加载。
• 开发视角：
• Bootstrap ClassLoader：加载 $JAVA_HOME/jre/lib 或 -Xbootclasspath 指定路径。
• Extension ClassLoader：加载 $JAVA_HOME/jre/lib/ext 或 java.ext.dirs。
• Application ClassLoader：加载用户类路径（ClassPath）。
• 自定义类加载器：继承 ClassLoader，实现特定加载逻辑。
• 关系：通过组合（非继承）实现父子关系。

2. 类加载器示例

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        System.out.println(loader);         // AppClassLoader
        System.out.println(loader.getParent()); // ExtClassLoader
        System.out.println(loader.getParent().getParent()); // null (Bootstrap)
    }
}

• 输出： sun.misc.Launcher$AppClassLoader@64fef26a sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1ddd40f3 null
• 解析：Bootstrap 用 C++ 实现，无法直接引用，返回 null。

3. 类加载方式

• 三种方式：
• 命令行启动时由 JVM 加载。
• Class.forName() 动态加载。
• ClassLoader.loadClass() 动态加载。
• 示例：

public class LoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        ClassLoader loader = HelloWorld.class.getClassLoader();
        System.out.println(loader);
        loader.loadClass("Test2"); // 不执行静态块
        // Class.forName("Test2"); // 执行静态块
        // Class.forName("Test2", false, loader); // 不执行静态块
    }
}
class Test2 {
    static {
        System.out.println("静态初始化块执行了！");
    }
}

• 区别：
• Class.forName()：加载并初始化（执行静态块）。
• ClassLoader.loadClass()：仅加载，不初始化。
• Class.forName(name, initialize, loader)：可控制是否初始化。

4. JVM 类加载机制

• 全盘负责：加载类时负责其依赖类的加载。
• 父类委托：优先委托父加载器加载。
• 缓存机制：已加载类缓存，重启 JVM 生效修改。
• 双亲委派机制：
• 过程：
  1. AppClassLoader 委托 ExtClassLoader。
  2. ExtClassLoader 委托 BootstrapClassLoader。
  3. 上层失败后逐级尝试加载。
• 代码： java protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { Class<?> c = findLoadedClass(name); if (c == null) { try { if (parent != null) { c = parent.loadClass(name, false); } else { c = findBootstrapClass0(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { c = findClass(name); } } if (resolve) resolveClass(c); return c; }
• 优势：
  • 避免重复加载系统类。
  • 保证安全性和稳定性。

5. 自定义类加载器

• 场景：加载加密字节码、网络类等。
• 实现：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    private String root;
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = loadClassData(name);
        if (classData == null) throw new ClassNotFoundException();
        return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
    }
    private byte[] loadClassData(String className) {
        String fileName = root + File.separator + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        try (InputStream ins = new FileInputStream(fileName);
             ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream()) {
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int length;
            while ((length = ins.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, length);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyClassLoader loader = new MyClassLoader();
        loader.setRoot("D:\\temp");
        Class<?> testClass = loader.loadClass("com.pdai.jvm.classloader.Test2");
        Object obj = testClass.newInstance();
        System.out.println(obj.getClass().getClassLoader()); // MyClassLoader
    }
}

• 注意：
• 类名需全限定名。
• 避免重写 loadClass()，保留双亲委托。
• 避免与系统类路径冲突。

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七、总结

• 生命周期：加载 → 验证 → 准备 → 解析 → 初始化 → 使用 → 卸载。
• 类加载器：Bootstrap、Extension、Application + 自定义。
• 机制：双亲委派确保安全与一致性，自定义加载器扩展灵活性。