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虚拟机类加载机制

日常开发中，我们写的 Java 代码是一个个 .java 文件，每个 .java 文件就是一个类( class )。这些文件都需要经过编译，才能成为计算机可运行的 .class 文件。这些 class 文件在程序运行时是怎么运行的呢？我们就来一探究竟！

Java语言中，类的加载、连接和初始化均在程序运行时完成，这样虽然比较耗性能，但是提高了程序的灵活性。比如，一个接口的实现可以等到运行时才指定；用户可以自定义类加载器来加载二进制流作为程序的一部分。

class文件 全名称为 Java class 文件，主要在平台无关性和网络移动性方面使 Java 更适合网络。它在平台无关性方面的任务是：为 Java 程序提供独立于底层主机平台的二进制形式的服务。

这些编译后的 .class 文件为程序的提供服务，什么时候提供服务？需要经历那些过程呢？

类的加载时机

类加载到内存，再卸载出内存，整个生命周期包括：

Loading
Verification
Preparation
Resolution
Initialization
Using
Unloading

虚拟机规范严格规定了以下 5 中情况必须对类初始化：

1）遇到 new 、 getstatic 、 putstatic 、 invokestatic 这 4 条字节码指令时，触发初始化（加载、验证、准备均在此之前）。 new - 使用 new 关键字实例化对象时

getstatic - 读取一个类的静态字段

putstatic - 设置一个类的静态字段

invokestatic - 调用一个静态方法

2）使用反射API对类进行反射调用

3）子类初始化需先初始化父类

4）虚拟机启动需要指定一个主类（包含main方法）

5）当使用 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 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类未初始化，则先初始化。

以上 5 中行为称为对类进行 主动引用 ；其他情况都为 被动引用 。

类加载过程

加载

虚拟机主要完成以下3方面：

java.lang.Class

验证

目的：确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。

文件格式验证

验证字节流是否符合Class文件的格式规范，并且能够被当前版本的虚拟机处理

元数据验证

对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息（元数据（其实就是类）数据类型校验）

字节码验证

通过数据流和控制流分析，确定语义是合法的、符合逻辑的（类的方法体进行校验分析）

符号引用验证

对类自身以外（常量池中各种符号引用）的信息进行匹配性校验

准备

正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，所有的变量使用的内存都在方法区进行分配。

这时进行内存分配的的仅包括类变量（即 static 修饰的变量），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。
这里的初始值是数据类型的零值。变量的赋值在初始化阶段才执行。
如果类字段的字段属性表中存在 ConstantValue 属性（类属性被 final 修饰），那么在准备阶段就会被初始化为 ConstantValue 属性所指定的值。

解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

符号引用( Symbolic Rederences )

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。

直接引用( Direct References )

直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步。类加载过程中，用户程序可以通过自定义类加载器参与之外，基本都是虚拟机主导和控制的。初始化阶段才开始执行 .class 文件。准备阶段，变量已经初始化赋值一次（仅仅是static修饰的变量），初始化阶段则按照程序员的主观计划( .java 生成的 .class 文件)进行变量及其他资源的初始化。另外一个角度阐述:初始化阶段是执行类构造器 <clinit>() 方法的过程。

<clinit>() 方法是虚编译器自动收集类中 所有类变量的赋值动作 、 静态代码块中的语句 合并产生的。编译器的收集顺序是按照源文件的代码顺序进行收集的。静态语句块中的只能访问到静态语句块之前的变量，不能访问到之后的变量；但是可以给定义在之后的变量赋值。
<clinit>() 方法与 <init>() 方法不同，虚拟机会保证父类的 <clinit>() 会在子类之前进行，故不需要像 <init>() 方法一样显示调用父类的 <clinit>() 方法
<clinit>() 方法不是必须的，如果类或接口没有静态语句块或者变量赋值操作，则不生成此方法。