類的加載過程詳解

概述

在 Java 中數據類型分為基本數據類型和引用數據類型。基本數據類型由虛擬機預先定義，引用數據類型則需要進行類的加載

按照 Java 虛擬機規范，從 Class 文件到加載到內存中的類，到類卸載出內存位置，它的整個生命周期包括如下七個階段：

其中，驗證、準備、解析3個部分統稱為鏈接(Linking)

從程序中類的使用過程看：

大廠面試題

螞蟻金服：

描述一下 JVM 加載 Class 文件的原理機制？

一面：類加載過程

百度：

類加載的機制

Java 類加載過程？

簡述 Java 類加載機制？

騰訊：

JVM 中類加載機制，類加載過程？

滴滴：

JVM 類加載機制

美團：

Java 類加載過程

描述一下 JVM 加載 Class 文件的原理機制

過程一：Loading(加載)階段

加載完成的操作

加載的理解

所謂加載，簡而言之就是將 Java 類的字節碼文件加載到機器內存中，并在內存中構建出 Java 類的原型——類模板對象。所謂類模板對象，其實就是 Java 類在 JVM 內存中的一個快照，JVM 將從字節碼文件中解析出的常量池、類字段、類方法等信息存儲到模板中，這樣 JVM 在運行期便能通過類模板而獲取 Java 類中的任意信息，能夠對 Java 類的成員變量進行遍歷，也能進行 Java 方法的調用

反射的機制即基于這一基礎。如果 JVM 沒有將 Java 類的聲明信息存儲起來，則 JVM 在運行期也無法反射

加載完成的操作

加載階段，簡言之，查找并加載類的二進制數據，生成 Class 的實例

在加載類時，Java 虛擬機必須完成以下3件事情：

• 通過類的全名，獲取類的二進制數據流
• 解析類的二進制數據流為方法區內的數據結構(Java 類模型)
• 創建 java.lang.Class 類的實例，表示該類型。作為方法區這個類的各種數據的訪問入口

二進制流的獲取方式

對于類的二進制數據流，虛擬機可以通過多種途徑產生或獲得。(只要所讀取的字節碼符合 JVM 規范即可)

• 虛擬機可能通過文件系統讀入一個 Class 后綴的文件(最常見)
• 讀入 jar、zip 等歸檔數據包，提取類文件
• 事先存放在數據庫中的類的二進制數據
• 使用類似于 HTTP 之類的協議通過網絡進行加載
• 在運行時生成一段 Class 的二進制信息等

在獲取到類的二進制信息后，Java 虛擬機就會處理這些數據，并最終轉為一個 java.lang.Class 的實例

如果輸入數據不是 ClassFile 的結構，則會拋出 ClassFormatError

類模型與 Class 實例的位置

類模型的位置

加載的類在 JVM 中創建相應的類結構，類結構會存儲在方法區(JDK 1.8之前：永久代；JDK 1.8之后：元空間)

Class 實例的位置

類將 .class 文件加載至元空間后，會在堆中創建一個 java.lang.Class 對象，用來封裝類位于方法區內的數據結構，該 Class 對象是在加載類的過程中創建的，每個類都對應有一個 Class 類型的對象

圖示

外部可以通過訪問代表 Order 類的 Class 對象來獲取 Order 的類數據結構

再說明

Class 類的構造方法是私有的，只有 JVM 能夠創建

java.lang.Class 實例是訪問類型元數據的接口，也是實現反射的關鍵數據、入口。通過 Class 類提供的接口，可以獲得目標類所關聯的 .class 文件中具體的數據結構：方法、字段等信息

數組類的加載

創建數組類的情況稍微有些特殊，因為數組類本身并不是由類加載器負責創建，而是由 JVM 在運行時根據需要而直接創建的，但數組的元素類型仍然需要依靠類加載器去創建。創建數組類(下述簡稱 A)的過程：

如果數組的元素類型是引用類型，那么就遵循定義的加載過程遞歸加載和創建數組 A 的元素類型

JVM 使用指定的元素類型和數組唯獨來創建新的數組類

如果數組的元素類型是引用類型，數組類的可訪問性就由元素類型的可訪問性決定。否則數組類的可訪問性將被缺省定義為 public

過程二：Linking(鏈接)階段

環節1:鏈接階段之 Verification (驗證)

當類加載到系統后，就開始鏈接操作，驗證是鏈接操作的第一步

它的目的是保證加載的字節碼是合法、合理并符合規范的

驗證的步驟比較復雜，實際要驗證的項目也很繁多，大體上 Java 虛擬機需要做以下檢查，如圖所示

整體說明：

驗證的內容則涵蓋了類數據信息的格式驗證、語義檢查、字節碼驗證，以及符號引用驗證等

• 其中格式驗證會和加載階段一起執行。驗證通過之后，類加載器才會成功將類的二進制數據信息加載到方法區中
• 格式驗證之外的驗證操作將會在方法區中進行

鏈接階段的驗證雖然拖慢了加載速度，但是它避免了在字節碼運行時還需要進行各種檢查

具體說明：

格式驗證：是否以魔數 0xCAFEBABE 開頭，主版本和副版本號是否在當前 Java 虛擬機的支持范圍內，數據中每一個項是否都擁有正確的長度等

Java 虛擬機會進行字節碼的語義檢查，但凡在語義上不符合規范的，虛擬機也不會給予驗證通過。比如：

是否所有的類都有父類的存在(在 Java 里，除了 Object 外，其他類都應該有父類)

是否一些被定義為 final 的方法或者類被重寫或繼承了

非抽象類是否實現了所有抽象方法或者接口方法

是否存在不兼容的方法(比如方法的簽名除了返回值不同，其他都一樣，這種方法會讓虛擬機無從下手調度；absract 情況下的方法，就不能是final 的了)

Java 虛擬機還會進行字節碼驗證，字節碼驗證也是驗證過程中最為復雜的一個過程。它試圖通過對字節碼流的分析，判斷字節碼是否可以被正確地執行。比如：

在字節碼的執行過程中，是否會跳轉到一條不存在的指令

函數的調用是否傳遞了正確類型的參數

變量的賦值是不是給了正確的數據類型等

棧映射幀(StackMapTable)就是在這個階段，用于檢測在特定的字節碼處，其局部變量表和操作數棧是否有著正確的數據類型。但遺憾的是，100%準確地判斷一段字節碼是否可以被安全執行是無法實現的，因此，該過程只是盡可能地檢查出可以預知的明顯的問題。如果在這個階段無法通過檢查，虛擬機也不會正確裝載這個類。但是，如果通過了這個階段的檢查，也不能說明這個類是完全沒有問題的

在前面3次檢查中，已經排除了文件格式錯誤、語義錯誤以及字節碼的不正確性。但是依然不能確保類是沒有問題的

校驗器還將進行符號引用的驗證。Class 文件在其常量池會通過字符串記錄自己將要使用的其他類或者方法。因此，在驗證階段，虛擬機就會檢查這些類或者方法確實是存在的，并且當前類有權限訪問這些數據，如果一個需要使用類無法在系統中找到，則會拋出 NoClassDefFoundError，如果一個方法無法被找到，則會拋出 NoSuchMethdError

此階段在解析環節才會執行

環節2:鏈接階段之 Preparation (準備)

準備階段(Preparation)，簡言之，為類的靜態變量分配內存，并將其初始化為默認值

當一個類驗證通過時，虛擬機就會進入準備階段。在這個階段，虛擬機就會為這個類分配相應的內存空間，并設置默認初始值。

Java 虛擬機為各類型變量默認的初始值如表所示：

注意：Java 并不支持 boolean 類型，對于 boolean 類型，內部實現是 int，由于 int 的默認值是0，故對應的，boolean 的默認值就是 false

注意：

這里不包含基本數據類型的字段用 static final 修飾的情況，因為 final 在編譯的時候就會分配了，準備階段會顯式賦值

注意這里不會為實例變量分配初始化，類變量會分配在方法區中，而實例變量是會隨著對象一起分配到 Java 堆中

在這個階段不會像初始化階段中那樣會有初始化或者代碼被執行

/*** <p>* 基本數據類型：非 final 修飾的變量，在準備環節進行默認初始化賦值* final 修飾以后，在準備環節直接進行顯式賦值* <p>* 拓展：如果使用字面量的方式定義一個字符串的常量的話，也是在準備環節直接進行顯式賦值*/ public class LinkingTest {private static long id;private static final int num = 1;public static final String constStr = "CONST";public static final String constStr1 = new String("CONST"); }

環節3:鏈接階段之 Resolution (解析)

在準備階段(Resolution)，簡言之，將類、接口、字段和方法的符號引用轉為直接引用

具體描述：

符號引用就是一些字面量的引用，和虛擬機的內部數據結構和內存分布無關。比較容理解的就是在 Class 類文件中，通過常量池進行了大量的符號引用。但是在程序實際運行時，只有符號引用是不夠的，比如當如下 println() 方法被調用時，系統需要明確知道該方法的位置

舉例：輸出操作 System.out.println() 對應的字節碼：

invokevirtual #24

以方法為例，Java 虛擬機為每個類都準備了一張方法表，將其所有的方法都列在表中，當需要調用一個類的方法的時候，只要知道這個方法在方法表中的偏移量就可以直接調用該方法。通過解析操作，符號引用就可以轉變為目標方法在類中方法表中的位置，從而使得方法被成功調用

小結

所謂解析就是將符號引用轉為直接引用，也就是得到類、字段、方法在內存中的指針或者偏移量。因此，可以說，如果直接引用存在，那么可以肯定系統中存在該類、方法或者字段。但只存在符號引用，不能確定系統中一定存在該結構

不過 Java 虛擬機規范并沒有明確要求解析階段一定要按照順序執行。在 HotSpot VM 中，加載、驗證、準備和初始化會按照順序有條不紊地執行，但鏈接階段中的解析操作往往會伴隨著 JVM 在執行完初始化之后再執行

字符串的復習

最后，再來看一下 CONSTANT_String 的解析。由于字符串在程序開發中有著重要的作用，因此，讀者有必要了解一下 String 在 Java 虛擬機中的處理。當在 Java 代碼中直接使用字符串常量時，就會在類中出現 CONSTANT_String，它表示字符串常量，并且會引用一個 CONSTANT_UTF8 的常量項。在 Java 虛擬機內部運行中的常量池，會維護一張字符串拘留表(intern)，它會保存所有出現過的字符串常量，并且沒有重復項。只要以 CONSTANT_String 形式出現的字符串也都會在這張表中。使用 String.intern() 方法可以得到一個字符串在拘留表中的引用，因為該表中沒有重復項，所以任何字面相同的字符串的 String.intern() 方法返回總是相等的

過程三：Initialization(初始化)階段

初始化階段，簡言之，為類的靜態變量賦予正確的初始值

具體描述

類的初始化是類裝載的最后一個階段。如果前面的步驟都沒有問題，那么表示類可以順利裝載到系統中。此時，類才會開始執行 Java 字節碼。(即：到了初始化階段，才真正開始執行類中定義的 Java 程序代碼)

初始化階段的重要工作是執行類的初始化方法：() 方法

• 該方法僅能由 Java 編譯器生成并由 JVM 調用，程序開發者無法自定義一個同名的方法，更無法直接在 Java 程序中調用該方法，雖然該方法也是由字節碼指令所組成
• 它是類靜態成員的賦值語句以及 static 語句塊合并產生的
• 說明

在加載一個類之前，虛擬機總是會試圖加載該類的父類，因此父類的 總是在子類 之前被調用，也就是說，父類的 static 塊優先級高于子類

Java 編譯器并不會為所有的類都產生 () 初始化方法。哪些類在編譯為字節碼后，字節碼文件中將不會包含 () 方法？

一個類中并沒有聲明任何的類變量，也沒有靜態代碼塊時

一個類中聲明類變量，但是沒有明確使用類變量的初始化語句以及靜態代碼塊來執行初始化操作時

一個類中包含 static final 修飾的基本數據類型的字段，這些類字段初始化語句采用編譯時常量表達式

static 與 final 的搭配問題

/**** 哪些場景下，Java 編譯器就不會生成<clinit>()方法*/ public class InitializationTest1 {//場景1:對應非靜態的字段，不管是否進行了顯式賦值，都不會生成<clinit>()方法public int num = 1;//場景2：靜態的字段，沒有顯式的賦值，不會生成<clinit>()方法public static int num1;//場景3：比如對于聲明為 static final 的基本數據類型的字段，不管是否進行了顯式賦值，都不會生成<clinit>()方法public static final int num2 = 1; } /**** 說明：使用 static + final 修飾的字段的顯式賦值的操作，到底是在哪個階段進行的賦值？* 情況1：在鏈接階段的準備環節賦值* 情況2：在初始化階段<clinit>()中賦值** 結論：* 在鏈接階段的準備環節賦值的情況：* 1. 對于基本數據類型的字段來說，如果使用 static final 修飾，則顯式賦值(直接賦值常量，而非調用方法)通常是在鏈接階段的準備環節進行* 2. 對于 String 來說，如果使用字面量的方式賦值，使用 static final 修飾的話，則顯式賦值通常是在鏈接階段的準備環節進行** 在初始化階段<clinit>()中賦值的情況* 排除上述的在準備環節賦值的情況之外的情況** 最終結論：使用 static + final 修飾，且顯示賦值中不涉及到方法或構造器調用的基本數據類型或String類型的顯式賦值，是在鏈接階段的準備環節進行*/ public class InitializationTest2 {public static int a = 1; //在初始化階段<clinit>()中賦值public static final int INT_CONSTANT = 10; //在鏈接階段的準備環節賦值public static final Integer INTEGER_CONSTANT1 = Integer.valueOf(100); //在初始化階段<clinit>()中賦值public static Integer INTEGER_CONSTANT2 = Integer.valueOf(1000); //在初始化階段<clinit>()中賦值public static final String s0 = "helloworld0"; //在鏈接階段的準備環節賦值public static final String s1 = new String("helloworld1"); //在初始化階段<clinit>()中賦值}

() 的線程安全性

對于 () 方法的調用，也就是類的初始化，虛擬機會在內部確保其多線程環境中的安全性

虛擬機會保證一個類的 () 方法在多線程環境中被正確地加鎖、同步，如果多個線程同時去初始化一個類，那么只會有一個線程去執行這個類的 () 方法，其他線程都需要阻塞等待，直到活動線程執行 () 方法完畢

正是因為函數 () 帶鎖線程安全的，因此，如果一個在類的 () 方法中有耗時很長的操作，就可能造成多個線程阻塞，引發死鎖。并且這種死鎖是很難發現的，因為看起來它們并沒有可用的鎖信息

如果之前的線程成功加載了類，則等在隊列中的線程就沒有機會再執行 () 方法了。那么，當需要使用這個類時，虛擬機會直接返回給它已經準備好的信息

類的初始化情況：主動使用 vs 被動使用

Java 程序對類的使用分為兩種：主動使用 和 被動使用

一、主動使用

Class 只有在必須要首次使用的時候才會被裝載，Java 虛擬機不會無條件地裝載 Class 類型。Java 虛擬機規定，一個類或接口在初次使用前，必須要進行初始化。這里指的"使用"，是指主動使用，主動使用只有下列幾種情況：(即：如果出現如下的情況，則會對類進行初始化操作。而初始化操作之前的加載、驗證、準備已經完成)

當創建一個類的實例時，比如使用 new 關鍵字，或者通過反射、克隆、反序列化

當調用類的靜態方法時，即當使用了字節碼 invokestatic 指令

當使用類、接口的靜態字段時(final 修飾特殊考慮)，比如，使用 getstatic 或者 putsttic 指令。(對應訪問變量、賦值變量操作)

當使用 java.lang.reflect 包中的方法反射類的方法時。比如：Class.forname("com.atguigu.java.Test")

當初始化子類時，如果發現其分類還沒有進行過初始化，則需要先觸發其父類的初始化

如果一個接口定義了 default 方法，那么直接實現或者間接實現該接口的類的初始化，該接口要在其之前被初始化

當虛擬機啟動時，用戶需要指定一個要執行的主類(包含 main() 方法的那個類)，虛擬機會先初始化這個主類

當初次調用 MethodHandle 實例時，初始化該 MethodHandle 指向的方法所在的類。(涉及解析 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 方法句柄對應的類)

針對5，補充說明：

當 Java 虛擬機初始化一個類時，要求它的所有父類都已經被初始化，但是這條規則并不適用于接口

• 在初始化一個類時，并不會先初始化它所實現的接口
• 在初始化一個接口時，并不會先初始化它的父接口

因此，一個父接口并不會因為它的子接口或者實現類的初始化而初始化，只有當程序首次使用特定接口的靜態字段時，才會導致該接口的初始化

針對7，說明：

JVM 啟動的時候通過引導類加載器加載一個初始類。這個類在調用 public static void main(String[]) 方法之前被鏈接和初始化。這個方法的執行將依次導致所需的類的加載、鏈接和初始化

二、被動使用

除了以上的情況屬于主動使用，其他的情況均屬于被動使用。被動使用不會引起類的初始化

也就是說：并不是在代碼中出現的類，就一定會被加載或者初始化。如果不符合主動使用的條件，類就不會初始化

當訪問一個靜態字段時，只有真正聲明這個字段的類才會被初始化

當通過子類引用父類的靜態變量，不會導致子類初始化

通過數組定義類引用，不會觸發此類的初始化

引用變量不會觸發此類或接口的初始化。因為常量在鏈接階段就已經被顯式賦值了

調用 ClassLoader 類的 loadClass() 方法加載一個類，并不是對類的主動使用，不會導致類的初始化

如果針對代碼，設置參數 -XX:+TraceClassLoading，可以追蹤類的加載信息并打印出來

過程四：類的Using(使用)

任何一個類型在使用之前都必須經歷過完整的加載、鏈接和初始化3個類加載步驟。一旦一個類型成功經歷過這3個步驟之后，便“萬事俱備，只欠東風”，就等著開發者使用了

開發人員可以在程序中訪問和調用它的靜態類成員信息(比如：靜態字段、靜態方法)，或者使用 new 關鍵字為其創建對象實例

過程五：類的Unloading(卸載)

一、類、類的加載器、類的實例之間的引用關系

在類加載器的內部實現中，用一個 Java 集合來存放所加載類的引用。另一方面，一個 Class 對象總是會引用它的類加載器，調用 Class 對象的 getClassLoader() 方法，就能獲得它的類加載器。由此可見，代表某個類的 Class 實例與其類的加載器之間為雙向關聯關系

一個類的實例總是引用代表這個類的 Class 對象。在 Object 類中定義了 getClass() 方法，這個方法返回代表對象所屬類的 Class 對象的引用。此外，所有的 Java 類都有一個靜態屬性 Class，它引用代表這個類的 Class 對象

二、類的生命周期

當 Sample 類被加載、鏈接和初始化后，它的生命周期就開始了。當代表 Sample 類的 Class 對象不再被引用，即不可觸及時，Class 對象就會結束生命周期，Sample 類在方法區內的數據也會被卸載，從而結束 Sample 類的生命周期

一個類何時結束生命周期，取決于代表它的 Class 對象何時結束生命周期

三、具體例子

Loader1 變量和 obj 變量間接應用代表 Sample 類的 Class 對象，而 objClass 變量則直接引用它

如果程序運行過程中，將上圖左側三個引用變量都置為 null，此時 Sample 對象結束生命周期，MyClassLoader 對象結束生命周期，代表 Sample 類的 Class 對象也結束生命周期，Sample 類在方法區內的二進制數據被卸載

當再次有需要時，會檢查 Sample 類的 Class 對象是否存在，如果存在會直接使用，不再重新加載；如果不存在 Sample 類會被重新加載，在 Java 虛擬機的堆區會生成一個新的代表 Sample 類的 Class 實例(可以通過哈希碼查看是否是同一個實例)

四、類的卸載

啟動類加載器加載的類型在整個運行期間是不可能被卸載的(JVM 和 JSL 規范)

被系統類加載器和擴展類加載器加載的類型在運行期間不太可能被卸載，因為系統類加載器實例或者擴展類的實例基本上在整個運行期間總能直接或者間接的訪問的到，其達到 unreachable 的可能性極小

被開發者自定義的類加載器實例加載的類型只有在很簡單的上下文環境中才能被卸載，而且一般還要借助于強制調用虛擬機的垃圾收集功能才可以做到。可以預想，稍微復雜點的應用場景(比如：很多時候用戶在開發自定義類的加載器實例的時候采用緩存的策略以提高系統性能)，被加載的類型在運行期間也是幾乎不太可能被卸載的(至少卸載的時間是不確定的)

綜合以上三點，一個已經加載的類型被卸載的幾率很小至少被卸載的時間是不確定的。同時我們可以看的出來，開發者在開發代碼時候，不應該對虛擬機的類型卸載做任何假設的前提下，來實現系統中的特定功能

回顧：方法區的垃圾回收

方法區的垃圾收集主要回收兩部分內容：常量池中廢棄的常量和不再使用的類型

HotSpot 虛擬機對常量池的回收策略是很明確的，只要常量池中的常量沒有被任何地方引用，就可以被回收

判定一個常量是否"廢棄"還是相對簡單，而要判定一個類型是否屬于"不再被使用的類"的條件就比較苛刻了。需要同時滿足下面三個條件：

• 該類所有的實例都已經被回收。也就是 Java 堆中不存在該類及其任何派生子類的實例
• 加載該類的類加載器已經被回收。這個條件除非是經過精心設計的可替換類加載器的場景，如 OSGI、JSP 的重加載等，否則通常是很難達成的
• 該類對應的 java.lang.Class 對象沒有在任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法

Java 虛擬機被允許對滿足上述三個條件的無用類進行回收，這里說的僅僅是"被允許"，而并不是和對象一樣，沒有引用了就必然會回收

總結

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