Java 类加载过程

Louis XIV原创2021/1/11...大约 8 分钟

本文部分参考《深入理解Java虚拟机》 -- 周志明著

类加载过程概述

Java的类加载，就是把Class文件从磁盘（或其他任意地方，只要满足类文件规范）加载到虚拟机中，以供应用程序使用的过程。类加载是通过ClassLoader完成的。

类的生命周期主要包含以下几个阶段：

加载 Loading
验证 Verification
准备 Preparation
解析 Resolution
初始化 Initialization
使用 Using
卸载 Unloading

其中2/3/4这3个阶段也统称为连接（Linking）。通常这几个阶段都是按顺序进行的，但解析阶段在某些情况下有可能先于初始化，在后续会专门介绍。

Linking阶段一般由虚拟机实现，应用程序无法控制，而Loading和Initialization阶段可以由程序一定程度上控制。

类加载时机

JVM规范对初始化阶段的规定

JVM规范规定，以下几种情况，如果类还未进行过初始化，则必须立即对类进行初始化。也就是说加载、验证、准备阶段也一定会在这之前开始执行。

遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这4条字节码指令时。对应到代码则是：使用new创建对象、读取或设置类的静态字段（static final字段除外）、调用类的静态方法
使用java.lang.reflect包对类进行反射调用
初始化一个类时，必须先初始化其父类
虚拟机启动时，优先初始化主类，即包含main()方法的类
使用JDK1.7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是REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic方法句柄时，对应的类需要初始化

以上5种情况称之为对类的主动引用，JVM规范规定有且只有以上几种情况会触发初始化，至于其他被动引用的情况是否会初始化，需要看虚拟机的具体实现。

举几个被动引用的例子：

子类引用父类的静态字段

假设有如下父类和子类

public class SuperClass {
    static {
        System.out.println("SuperClass static init!");
    }

    public static int superStaticValue = 123;
}

public class SubClass extends SuperClass {
    static {
        System.out.println("SubClass static init!");
    }
    public static int subStaticValue = 234;
    public static final int subStaticFinalValue = 555;
}

测试代码：

public static void main(String[] args) {
    // 通过子类间接访问父类的静态变量，子类不会初始化
    System.out.println(SubClass.superStaticValue);
}

创建对象的引用数组

public static void main(String[] args) {
    // 通过数组定义来引用类，不会触发类的初始化
    SuperClass[] s = new SuperClass[10];
}

这里实际上触发了对SuperClass[]这个数组类的初始化，这个类是由虚拟机自动生成的，对应字节码是anewarray，不属于必须初始化的情况之一。

引用static final字段

public static void main(String[] args) {
    // 引用类的static final字段，不会触发初始化
    System.out.println(SubClass.subStaticFinalValue);
}

由于测试字段用了static final修饰，在编译时会进行常量传播优化，上述代码在字节码上对应为sipush 555，也就是直接把555这个常量值压入栈顶，并没有对SubClass进行引用，因此不会对SubClass进行初始化。

如果把上述SubClass.subStaticFinalValue的类型改为String，则会发现编译后"555"这个常量出现在了主类所在的常量池里，对该变量的访问直接转换成对常量池的引用。

对接口初始化的说明

接口中不能使用static{}语句块，但编译器仍会为接口生成<clinit>()类构造器。
类在初始化时会要求初始化其父类，但接口初始化时并不要求初始化父接口，只有在真正使用父接口时才会初始化。

加载阶段

加载阶段负责：

通过类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
将字节流转化为方法区的运行时数据结构
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访问入口

这里所说的二进制字节流，最常见的就是编译后的Class文件，但不限定于文件，也可以从网络获取、动态生成等。

对于非数组类来说，类的加载就是通过ClassLoader来完成的。通过重写ClassLoader的loadClass()或findClass()方法可以控制字节流的获取方式。

数组类则比较特殊，不是由ClassLoader创建的，而是由JVM直接创建。

验证阶段

验证阶段是对Class文件进行验证，确保是合法的Class文件且不会危害虚拟机自身的安全。如果验证发现Class文件格式不符合要求，则抛出java.lang.VerifyError

验证主要包括：

文件格式验证，验证通过后字节流进入方法区存储，后续的验证过程都是基于方法区的结构进行的
元数据验证，主要验证语义是否符合规范
字节码验证，主要是对方法体进行校验，保证方法运行时不会危害虚拟机安全
符号引用验证，验证类之间的符号引用的合法性。这个验证是在虚拟机将符号引用转化为直接引用时做的，也就是在解析阶段进行

准备阶段

准备阶段为类变量（static变量）分配内存并设置初始值（通常是零值），类变量所使用的内存在方法区中分配。

注意这一阶段不会初始化实例变量。

另，有一种特殊情况，如果static变量同时也是final的，编译器会认为这是一个常量，会在类字段的属性表中保存ConstantValue属性，准备阶段就会把初始值设置为指定的值，而不是零值。

解析阶段

解析阶段是把常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。

符号引用 Symbolic Reference：主要用于Class文件的类/接口、字段、方法表中，使用一组符号来描述所引用的目标。符号引用是在Class文件中定义的，与虚拟机内存无关

直接引用 Direct Reference：就是java中常说的引用，通过引用可以定位到目标对象在内存中的位置。

虚拟机规范没有规范解析阶段的发生时间，可以在类加载时就进行解析，也可以在一个符号引用被使用时才解析，取决于虚拟机的实现。

除了invokedynamic指令之外，其他使用符号引用的指令都可以使用第一次解析的缓存结果（在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标识为已解析），但invokedynamic指令就是为了支持动态语言特性，需要等到运行到这条指令时进行解析。（invokedynamic的其中一个用法就是lambda表达式）

这一阶段可能会抛出java.lang.NoSuchMethodError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.IllegalAccessError

初始化阶段

初始化阶段主要就是执行<clinit>()方法。

clinit方法

clinit方法是由编译器自动收集类中的所有static变量的赋值动作和static语句块中的语句合并产生的；
顺序由语句在源文件中出现的顺序决定；
static语句块中只能访问到定义在这之前的变量，定义在之后的变量只能赋值，但不能访问；
子类的clinit方法执行之前，会保证先执行父类的clinit；
clinit方法对于类或接口并不是必须的，如果类中没有static语句块，也没有static变量，则这个类就没有clinit方法；
执行接口的clinit方法不需要先执行父接口的clinit方法，同样实现类初始化时也不会执行接口的clinit方法；
对于一个类的clinit方法，虚拟机会保证在多线程环境下，只会有一个线程去执行，因此如果clinit执行时间很长可能导致应用阻塞；
在同一个类加载器下，一个类只会初始化一次，也就是clinit方法最多只会被调用一次；
clinit抛异常会导致类初始化失败，由于类只会初始化一次，下一次访问这个类时会直接报java.lang.NoClassDefFoundError

对非static语句块的说明

static语句块，即static{}，普通语句块，即不带static的{}语句块，补充说明如下

static语句块会在类初始化时调用，普通语句块在创建对象实例时调用
static语句块只会调用一次，普通语句块每次创建时都会调用
普通语句块的调用会在构造方法之前
首次new一个子类对象时，调用顺序是：父类clinit - 子类clinit - 父类普通语句块 - 父类构造方法 - 子类普通语句块 - 子类构造方法