一文解读类的加载过程（类的生命周期）（上）

概述总览

在Java中数据类型分为基本数据类型和引用数据类型。基本数据类型由虚拟机预先定义，引用数据类型则需要进行类的加载。

按照Java虚拟机规范，从class文件到加载到内存中的类，到类卸载出内存为止，它的整个生命周期包括如下7个阶段：

其中，验证、准备、解析3个部分统称为链接（Linking）

过程一：Loading（加载）阶段

加载完成的操作

什么是加载？

所谓加载，简单来说就是将java类的字节码文件加载到机器内存中，并在内存中构建出java的原型，也是类模板对象

所谓类模板对象，其实就是Java类在]VM内存中的一个快照，JVM将从字节码文件中解析出的常量池、类字段、类方法等信息存储到类模板中，这样]VM在运行期便能通过类模板而获取Java类中的任意信息，能够对Java类的成员变量进行遍历，也能进行Java方法的调用。

反射的机制即基于这一基础。如果JVM没有将Java类的声明信息存储起来，则JVM在运行期也无法反射。

在加载类时，Java虚拟机必须完成以下3件事情：

• 通过类的全名，获取类的二进制数据流。
• 解析类的二进制数据流为方法区内的数据结构（Java类模型）
• 创建java.lang.Class类的实例，表示该类型。作为方法区这个类的各种数据的访问入口

二进制流的获取方式

对于类的二进制数据流，虚拟机可以通过多种途径产生或获得。（只要所读取的字节码符合JVM规范即可，jvm虚拟机不仅仅可以运行java，只要符合规范即可）

• 虚拟机可能通过文件系统读入一个class后缀的文件
• 读入jar、zip等归档数据包，提取类文件。
• 事先存放在数据库中的类的二进制数据
• 使用类似于HTTP之类的协议通过网络进行加载
• 在运行时生成一段class的二进制信息等
• 在获取到类的二进制信息后，Java虚拟机就会处理这些数据，并最终转为一个java.lang.Class的实例。

如果输入数据不是ClassFile的结构，则会抛出ClassFormatError。

类模型与Class实例的位置

类模型的位置

加载的类在JVM中创建相应的类结构，类结构会存储在方法区（JDKl.8之前：永久代；J0Kl.8及之后：元空间）。

Class实例的位置

类将.class文件加载至元空间后，会在堆中创建一个Java.lang.Class对象，用来封装类位于方法区内的数据结构，该Class对象是在加载类的过程中创建的，每个类都对应有一个Class类型的对象。

数组类的加载

创建数组类的情况稍微有些特殊，因为数组类本身并不是由类加载器负责创建，而是由JVM在运行时根据需要而直接创建的，但数组的元素类型仍然需要依靠类加载器去创建。创建数组类（下述简称A）的过程：

• 如果数组的元素类型是引用类型，那么就遵循定义的加载过程递归加载和创建数组A的元素类型；
• JVM使用指定的元素类型和数组维度来创建新的数组类。

如果数组的元素类型是引用类型，数组类的可访问性就由元素类型的可访问性决定。否则数组类的可访问性将被缺省定义为public。

过程二：Linking（链接）阶段

环节1：链接阶段之Verification（验证）

当类加载到系统后，就开始链接操作，验证是链接操作的第一步。为了保证字节码的合法，合法，符合jvm规定。验证的步骤比较复杂，实际要验证的项目也很繁多，大体上Java虚拟机需要做以下检查，如图所示。

验证的内容则涵盖了类数据信息的格式验证、语义检查、字节码验证，以及符号引用验证等。  链接阶段的验证虽然拖慢了加载速度，但是它避免了在字节码运行时还需要进行各种检查。

格式验证部分会跟类的加载阶段一起进行的

具体说明：

格式验证：是否以魔数0XCAFEBABE开头，主版本和副版本号是否在当前Java虚拟机的支持范围内，数据中每一个项是否都拥有正确的长度等。

语义检查：Java虚拟机会进行字节码的语义检查，但凡在语义上不符合规范的，虚拟机也不会给予验证通过。比如：

• 是否所有的类都有父类的存在（在Java里，除了object外，其他类都应该有父类）
• 是否一些被定义为final的方法或者类被重写或继承了
• 非抽象类是否实现了所有抽象方法或者接口方法

字节码验证（最复杂的一个过程）：Java虚拟机还会进行字节码验证。它试图通过对字节码流的分析，判断字节码是否可以被正确地执行。比如：

• 在字节码的执行过程中，是否会跳转到一条不存在的指令
• 函数的调用是否传递了正确类型的参数
• 变量的赋值是不是给了正确的数据类型等

栈映射帧（StackMapTable）就是在这个阶段，用于检测在特定的字节码处，其局部变量表和操作数栈是否有着正确的数据类型。但遗憾的是，100%准确地判断一段字节码是否可以被安全执行是无法实现的，因此，该过程只是尽可能地检查出可以预知的明显的问题。如果在这个阶段无法通过检查，虚拟机也不会正确装载这个类。但是，如果通过了这个阶段的检查，也不能说明这个类是完全没有问题的。

栈映射帧的概念，就是表示在执行某一条字节码指令之前，帧的状态，即局部变量表和操作数栈的状态，不是每条字节码前面都有栈映射帧，通常在有条件跳转或无条件跳转之后或者抛出异常之前。

环节2：链接阶段之Preparation（准备）

准备阶段，简单来说，就是为类的静态分配内存，并将其初始化为默认值

当一个类验证通过时，虚拟机就会进入准备阶段。在这个阶段，虚拟机就会为这个类分配相应的内存空间，并设置默认初始值。Java虚拟机为各类型变量默认的初始值如表所示。

在这里需要注意的是：java并不支持boolean类型，对于boolean类型，内部实现是int，由于int的默认值是0，故对应的，boolean的默认值就是false。 而且这里并没有对static fianl修饰的变量进行赋值，因为final修饰的变量已经在编译阶段就进行了赋默认值，而在准备阶段进行的是显式赋值

1. // 一般情况：static final修饰的基本数据类型、字符串类型字面量会在准备阶段赋值
2. private static final String str = "Hello world";
3. // 特殊情况：static final修饰的引用类型不会在准备阶段赋值，而是在初始化阶段赋值
4. private static final String str = new String("Hello world");

• 这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。
• 在这个阶段并不会像初始化阶段中那样会有初始化或者代码被执行。

环节3：链接阶段之Resolution（解析）

在准备阶段完成后，就进入了解析阶段。解析阶段（Resolution），简言之，将类、接口、字段和方法的符号引用转为直接引用。

符号引用就是一些字面量的引用，和虚拟机的内部数据结构和和内存布局无关。比较容易理解的就是在Class类文件中，通过常量池进行了大量的符号引用。但是在程序实际运行时，只有符号引用是不够的，比如当如下println()方法被调用时，系统需要明确知道该方法的位置。

System.out.println()对应的字节码：

invokevirtual #24 <java/io/PrintStream.println>

以方法为例，Java虚拟机为每个类都准备了一张方法表，将其所有的方法都列在表中，当需要调用一个类的方法的时候，只要知道这个方法在方法表中的偏移量就可以直接调用该方法。通过解析操作，符号引用就可以转变为目标方法在类中方法表中的位置，从而使得方法被成功调用。

过程三：Initialization（初始化）阶段

static与final的搭配问题

说明：使用static+ final修饰的字段的显式赋值的操作，到底是在哪个阶段进行的赋值？

• 情况1：在链接阶段的准备环节赋值
• 情况2：在初始化阶段<clinit>()中赋值

结论： 在链接阶段的准备环节赋值的情况：

• 对于基本数据类型的字段来说，如果使用static final修饰，则显式赋值(直接赋值常量，而非调用方法通常是在链接阶段的准备环节进行
• 对于String来说，如果使用字面量的方式赋值，使用static final修饰的话，则显式赋值通常是在链接阶段的准备环节进行
• 在初始化阶段<clinit>()中赋值的情况： 排除上述的在准备环节赋值的情况之外的情况。

最终结论：使用static+final修饰，且显式赋值中不涉及到方法或构造器调用的基本数据类到或String类型的显式赋值，是在链接阶段的准备环节进行。

1. public static final int INT_CONSTANT = 10;                                // 在链接阶段的准备环节赋值
2. public static final int NUM1 = new Random().nextInt(10);                  // 在初始化阶段clinit>()中赋值
3. public static int a = 1;                                                  // 在初始化阶段<clinit>()中赋值
4. 
5. public static final Integer INTEGER_CONSTANT1 = Integer.valueOf(100);     // 在初始化阶段<clinit>()中赋值
6. public static Integer INTEGER_CONSTANT2 = Integer.valueOf(100);           // 在初始化阶段<clinit>()中概值
7. 
8. public static final String s0 = "helloworld0";                            // 在链接阶段的准备环节赋值
9. public static final String s1 = new String("helloworld1");                // 在初始化阶段<clinit>()中赋值
10. public static String s2 = "hellowrold2";                                  // 在初始化阶段<clinit>()中赋值

<clinit>()的线程安全性

对于<clinit>()方法的调用，也就是类的初始化，虚拟机会在内部确保其多线程环境中的安全性。

虚拟机会保证一个类的()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，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。

正是因为函数<clinit>()带，因此，如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个线程阻塞，引发死锁。并且这种死锁是很难发现的，因为看起来它们并没有可用的锁信息。

如果之前的线程成功加载了类，则等在队列中的线程就没有机会再执行<clinit>()方法了。那么，当需要使用这个类时，虚拟机会直接返回给它已经准备好的信息。