JAVA 类加载机制

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摘自：https://blog.csdn.net/qq_16216221/article/details/71600535
摘自：http://www.importnew.com/25295.html
摘自：https://blog.csdn.net/noaman_wgs/article/details/74489549
摘自：https://www.cnblogs.com/ityouknow/p/5603287.html

一、概述

  类加载是Java程序运行的第一步，研究类的加载有助于了解JVM执行过程，并指导开发者采取更有效的措施配合程序执行，对理解java虚拟机的连接模型和java语言的动态性都有很大帮助。

  JVM中类的装载是由类加载器（ClassLoader）和它的子类来实现的，Java中的类加载器是一个重要的Java运行时系统组件，它负责在运行时查找和装入类文件中的类。

  由于Java的跨平台性，经过编译的Java源程序并不是一个可执行程序，而是一个或多个类文件。当Java程序需要使用某个类时，JVM会确保这个类已经被加载、连接（验证、准备和解析）和初始化。

1.1 什么是类的加载

  类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类的加载过程

  类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError错误）如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。

二、类的加载过程

类的加载过程

  其中类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中，加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的，而解析阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

2.1. 加载

  加载主要是将.class文件（并不一定是.class。可以是ZIP包，网络中获取）中的二进制字节流读入到JVM中。
  在加载阶段，JVM需要完成3件事：
   1）通过类的全限定名获取该类的二进制字节流；
   2）将字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；
   3）在内存中生成一个该类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

  加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象（运行时的类型信息），这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

2.2 连接

2.2.1. 验证

  验证是连接阶段的第一步，主要确保加载进来的字节流符合JVM规范。
  验证阶段会完成以下4个阶段的检验动作：
   1）文件格式验证
   2）元数据验证(是否符合Java语言规范)
   3）字节码验证（确定程序语义合法，符合逻辑）
   4）符号引用验证（确保下一步的解析能正常执行）

2.2.2. 准备

  准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量的初始值阶段，即在方法区中分配这些变量所使用的内存空间。注意这里所说的初始值概念，比如一个类变量定义为：

1
public static int v = 8080;

  实际上变量v在准备阶段过后的初始值为0而不是8080，将v赋值为8080的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器方法之中。
但是注意如果声明为：

1
public static final int v = 8080;

  在编译阶段会为v生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机会根据ConstantValue属性将v赋值为8080。

2.2.3. 解析

  解析阶段是指虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是class文件中的：

1
2
3
CONSTANT_Class_info
CONSTANT_Field_info
CONSTANT_Method_info

等类型的常量。
下面我们解释一下符号引用和直接引用的概念：
  符号引用与虚拟机实现的布局无关，引用的目标并不一定要已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。
  直接引用可以是指向目标的指针，相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

2.3 初始化

  初始化阶段是类加载过程的最后一步，主要是根据程序中的赋值语句主动为类变量赋值。

   注：

   1）当有父类且父类为初始化的时候，先去初始化父类；
   2）再进行子类初始化语句。

三、Jvm加载的过程图例

类的加载过程

什么时候需要对类进行初始化？

1）使用new该类实例化对象的时候；
2）读取或设置类静态字段的时候（但被final修饰的字段，在编译器时就被放入常量池的静态字段除外static final）；
3）调用类静态方法的时候；
4）使用反射Class.forName(“xxxx”)对类进行反射调用的时候，该类需要初始化；
5）初始化一个类的时候，有父类，先初始化父类（注：1. 接口除外，父接口在调用的时候才会被初始化；2.子类引用父类静态字段，只会引发父类初始化）；
6）被标明为启动类的类（即包含main()方法的类）要初始化；
7）当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

什么时候不会初始化？

1）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。
2）定义对象数组，不会触发该类的初始化。
3）常量在编译期间会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用定义常量的类，不会触发定义常量所在的类。
4）通过类名获取Class对象，不会触发类的初始化。
5）通过Class.forName加载指定类时，如果指定参数initialize为false时，也不会触发类初始化，其实这个参数是告诉虚拟机，是否要对类进行初始化。
6）通过ClassLoader默认的loadClass方法，也不会触发初始化动作。

四、类加载器

类加载器负责对类的加载，加载类的方式有：
1）从本地系统直接加载
2）通过网络下载.class文件
3）从zip，jar等归档文件中加载.class文件
4）从专有数据库中提取.class文件
5）将Java源文件动态编译为.class文件（服务器）

类加载器