关于Java的类加载机制

1、概述

类会在运行期间第一次使用时，被类加载器动态加载至JVM。JVM不会一次性加载所有类。因为如果一次性加载，会占用很多的内存。

2、类的生命周期

类的生命周期包括以下 7 个阶段：

• 加载（Loading）
• 验证（Verification）
• 准备（Preparation）
• 解析（Resolution）
• 初始化（Initialization）
• 使用（Using）
• 卸载（Unloading）

2.1类的加载过程

包含：加载、验证、准备、解析和初始化 ，一共包括 5****个阶段。

2.1.1加载

（1）加载过程

1. 通过类的完全限定名称获取定义该类的二进制字节流。
2. 将该字节流表示的静态存储结构转换为Metaspace元空间区的运行时存储结构。
3. 在内存中生成一个代表该类的 Class 对象，作为元空间区中该类各种数据的访问入口。

（2）二进制字节流获取方式

• 从 ZIP 包读取，成为 JAR、EAR、WAR格式的基础。
• 从网络中获取，最典型的应用是 Applet。
• 运行时计算生成，例如动态代理技术，在 java.lang.reflect.Proxy 使用 ProxyGenerator.generateProxyClass 的代理类的二进制字节流。
• 由其他文件或容器生成，例如由 JSP 文件生成对应的 Class 类。

2.1.2验证

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。

2.1.3准备

使用的是元空间区的内存，为类变量 （被 static 修饰的变量）分配内存并设置初始值。

实例变量不会在这阶段分配内存，它会在对象实例化时，随着对象一起被分配在堆中。

注意：根据不用类型初始值不同，int初始值一般为 0 值。

例如：下面的类变量 value 被初始化为 0 而不是 123。

public static int value = 100;

如果类变量是常量，那么它将初始化为表达式所定义的值而不是 0。

public static final int value = 123;

2.1.4解析

将常量池的符号引用替换为直接引用的过程。其中解析过程在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持 Java 的动态绑定。

2.1.5初始化

初始化阶段是虚拟机执行类构造器 <clinit>()方法的过程。准备阶段，类变量已赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其它资源。

<clinit>()是由编译器自动收集 类中所有类变量的赋值动作 和静态代码块中的语句合并产生的，编译器收集的顺序与源文件顺序一致。

所以，静态语句块只能访问定义在它之前的类变量，定义在它之后的类变量只能赋值，不能访问。

public class Test {
    static {
        i = 0;                // 给变量赋值可以正常编译通过
        System.out.print(i);  // 这句编译器会提示"非法向前引用"
    }
    static int i = 1;
}

父类的 <clinit>() 方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块的执行要优先于子类 。

在接口中有类变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成 <clinit>() 方法，但接口中不可以使用静态语句块。接口与类不同的是，执行接口的 <clinit>() 方法不需要先执行父接口的 <clinit>() 方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的 <clinit>() 方法。

此外一个类的 <clinit>() 方法是线程安全的。多个线程同时初始化一个类，只会有一个线程执行这个类的 <clinit>() 方法，其它线程都会阻塞等待，直到活动线程执行 <clinit>() 方法完毕。

3、类加载的时机

3.1主动引用

虚拟机规范中并没有强制约束何时进行加载，但是严格规定了下列六种情况必须对类进行加载：

3.1.1遇到特殊指令时

演示需要类

class Prent{
    static int A = 23;
    static final int VALUE = 10;
    static {
        System.out.println("Prent被加载");
    }
    public static void dosth(){};
}
class Son extends Prent{
    static {
        System.out.println("Son被加载");
    }
}

（1）当 jvm 执行 new指令时会加载类。即：当程序创建一个类的实例对象

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        // new
        Prent p = new Prent();
}

（2）当 jvm 执行 getstatic指令时会加载类。即：程序访问类的静态变量(不是静态常量，常量会被加载到运行时常量池)

// getstatic
System.out.println(Prent.A);

（3）当 jvm 执行 putstatic指令时会加载类。即：程序给类的静态变量赋值。

        // putstatic
        Prent.A = 188;

（4） 当 jvm 执行 invokestatic指令时会加载类。即：程序调用类的静态方法。

// invokestatic
        Prent.dosth();

3.1.2反射

使用 java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时如 Class.forname("..."), 或newInstance() 等等。如果类没初始化，需要触发类的加载。

3.1.3继承

加载一个类，如果其父类还未加载，则先触发该父类的加载。

3.1.4main方法所在类

当虚拟机启动时，用户需要定义一个要执行的主类 ，虚拟机先加载这个类。

3.1.5接口实现

当一个接口中定义了 JDK8 新加入的默认方法（被 default 关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了加载，则该接口要在实现类之前被加载

3.2被动引用

除主动引用之外，所有引用类的方式都不会触发加载，称为被动引用。

（1）通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类加载。

System.out.println(Son.A);

（2）数组类型

通过数组定义来引用类，不会触发此类的加载。该过程会对数组类进行加载，数组类是一个由虚拟机自动生成的、直接继承自 Object 的子类，其中包含了数组的属性和方法。

//array继承自object与Prent无继承关系
Prent[] array = new Prent[10];

（3）类中常量

常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类

System.out.println(Prent.VALUE);