JVM系列（一）：JVM类加载过程详解

Java 通过引入字节码和 JVM 机制，提供了强大的跨平台能力，理解 Java 的类加载机制是深入 Java 开发的必要条件。

一、Java代码执行流程

Java程序运行时，必须经过编译和运行两个步骤。首先将后缀名为.java的源文件进行编译，最终生成后缀名为.class的字节码文件。然后JVM虚拟机启动时，会初始化好类加载器(ClassLoader)。通过ClassLoader，JVM将编译好的字节码文件加载到内存（类加载）。最后由JVM对加载到内存的java类进行解释执行，显示结果。

以我们常见的Test.java为例，具体流程如下图所示：

二、类加载过程

类加载过程主要分为三个步骤：加载、链接、初始化，而其中链接过程又分为三个步骤：验证、准备、解析，加上卸载、使用两个步骤统称为为类的生命周期。

加载

简单来说，加载指的是把class字节码文件从各个来源通过类加载器装载入内存中。

1、字节码来源

由于没有具体指明需要在哪里获取class文件，导致字节码来源途径非常丰富：

从压缩包中读取，如jar、war
从网络中获取，如Web Applet
动态生成，如动态代理、CGLIB
由其他文件生成，如JSP
从数据库读取
从加密文件中读取

2、内存储存

将静态储存解析成运行时数据，存放在方法区
在堆区生成该类的Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

链接

验证

验证阶段主要是为了为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合虚拟机要求，并且不会危害虚拟机。

而验证主要分为以下四类：

文件格式验证
元数据验证
字节码验证
符号引用验证

准备

准备阶段会为类的静态变量分配内存、赋初值

数据类型

零值

int

long

short

(short)0

char

‘’

byte

(byte)0

boolean

false

float

0.0f

double

0.0d

reference

null

需要注意的有以下几点：

实例变量是在创建对象的时候完成赋值的，没有赋初值一说
final修饰的常量在编译的时候会给属性添加ConstantValue属性，准备阶段直接完成赋值，即没有赋初值这一步

解析

解析阶段会将符号引用替换为直接引用，该过程也被称为静态链接。

1、符号引用

以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可

2、直接引用

可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。而直接引用必须引用的目标已经在内存中存在。

3、动态链接

即符号引用替换为直接引用的阶段，该阶段会把一些静态方法(符号引用，比如main()方法)替换为指向数据所存内存的指针或句柄等(直接引用)。

初始化

初始化阶段是执行类构造器 () 方法的过程。这一步主要的目的是：根据程序员程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。

1、执行类构造器()方法的过程

对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块
当初始化一个类的时候，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
虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确加锁和同步
当范围一个Java类的静态域时，只有真正声名这个域的类才会被初始化

2、初始化的时机

需要在主动引用时，才会执行初始化

new、getstatic、putstatic、invokestatic
对内进行反射调用时
初始化一个类的子类会去加载其父类
启动程序所使用的main方法所在类
当使用jdk1.7动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果

除了主动引用外，还有以下三种情况被称为被动引用，不会触发初始化

通过子类引用父类的静态字段，只会触发父类的初始化，而不会触发子类的初始化。
定义对象数组和集合，不会触发该类的初始化
类A引用类B的static final常量不会导致类B初始化（注意静态常量必须是字面值常量，否则还是会触发B的初始化）

三、触发类加载过程的时机

触发类加载过程的时机主要分为隐式加载和显示加载两种情况

隐式加载

创建类对象
使用类的静态域
创建子类对象
使用子类的静态域
在JVM启动时，BootStrapLoader会加载一些JVM自身运行所需的class
在JVM启动时，ExtClassLoader会加载指定目录下一些特殊的class
在JVM启动时，AppClassLoader会加载classpath路径下的class，以及main函数所在的类的class文件

显示加载

ClassLoader.loadClass(className)：只加载和连接、不会进行初始化
Class.forName(String name, boolean initialize,ClassLoader loader)：使用ClassLoader进行加载和连接，根据参数initialize决定是否初始化。