【JVM】类初始化和加载

一、对象的创建过程

1. 类加载检查

当尝试创建一个对象时，JVM首先会到元空间 中查找该对象的类符号引用 （可以理解为类的模板信息）。检查这个类是否已经被加载、解析和初始化 。如果没有，则会触发完整的类加载过程。

2. 分配内存

类加载检查通过后，JVM会在堆内存中为新对象划分一块内存空间。具体的内存分配方式取决于垃圾收集器的实现，常见的有：

• 指针碰撞：适用于内存规整的GC算法（如Serial、ParNew）
• 空闲列表：适用于内存不规整的GC算法（如CMS）

3. 初始化零值

内存分配完成后，JVM会将对象的所有实例字段 初始化为对应类型的零值：

• 数值类型（int、long等）：0
• 布尔类型：false
• 引用类型：null

此操作确保了对象字段在使用前都有确定的初始值，这是Java内存安全的重要保障。

4. 设置对象头

接下来设置对象的对象头（Object Header），主要包括：

• Mark Word ：存储对象的运行时数据
  • 哈希码（HashCode）
  • GC分代年龄
  • 锁状态标志
  • 线程持有的锁等
• Klass Pointer ：指向方法区中的Class对象，确定对象的类型
• 如果是数组对象，还会包含数组长度信息

5. 执行init方法

上述步骤完成后，从JVM角度看一个对象已经创建完毕。接着执行实例初始化：

1. 初始化字段：按照代码顺序执行字段的显式初始化
2. 执行实例代码块 ：编译器会将所有非静态代码块收集并插入到构造器开头
3. 执行构造器代码：执行开发者编写的构造函数代码

至此，一个完整的、可用的Java对象才真正创建完成。

---

阶段	执行内容	涉及内存区域
类加载检查	查找类符号引用，必要时加载类	元空间
分配内存	在堆中划分对象空间	堆
初始化零值	设置字段默认值（0、false、null）	堆
设置对象头	设置对象元数据（Mark Word、类型指针）	堆
执行init方法	执行代码块和构造器，完成对象初始化	堆

二、类加载过程

类加载是JVM将类的字节码文件加载到内存，并进行验证、准备、解析和初始化的完整过程。整个过程分为三大阶段：加载 → 链接 → 初始化，其中链接阶段又包含验证、准备、解析三个子阶段。

1. 加载（Loading）

核心任务：将类的字节码数据加载到内存中，并创建对应的Class对象。

具体过程：

• 读取字节码 ：通过类的全限定名 获取对应的字节码文件（.class）
• 二进制转换：将字节码转换为方法区中的运行时数据结构
• 创建Class对象 ：在堆 中生成一个代表该类的java.lang.Class对象
• 建立访问入口：Class对象作为程序访问方法区中类元数据的入口

2. 链接（Linking）

链接阶段负责将加载到内存的类数据进行整合和准备。

2.1 验证（Verification）

确保被加载的类符合JVM规范，不会危害虚拟机安全。

四个验证阶段：

验证阶段	验证内容	重要性
文件格式验证	魔数、版本号、常量池等	确保.class文件格式正确
元数据验证	类的继承关系、字段/方法访问性	确保语义符合Java规范
字节码验证	方法体、栈帧、类型转换等	确保程序逻辑正确性
符号引用验证	符号引用的合法性	确保解析能正常进行

2.2 准备（Preparation）

为类的静态变量分配内存并设置初始值。

关键规则：

// 情况1：普通static变量（赋默认值）
public static int count;        // 准备阶段：count = 0
public static String name;      // 准备阶段：name = null

// 情况2：static final编译时常量（直接赋实际值）
public static final int MAX = 100;      // 准备阶段：MAX = 100
public static final String TITLE = "App"; // 准备阶段：TITLE = "App"引用

// 情况3：static final非编译时常量（赋默认值）
public static final Date NOW = new Date(); // 准备阶段：NOW = null

内存分配：

• 静态变量在方法区（元空间） 分配内存
• 基本类型分配固定大小，引用类型分配引用空间

2.3 解析（Resolution）

将常量池中的符号引用 替换为直接引用。

引用类型	符号引用（解析前）	直接引用（解析后）
类/接口	java/lang/String	Class对象内存地址
字段	java/lang/System.out	字段内存偏移量
方法	java/io/PrintStream.println	方法入口地址或方法表索引

解析时机：

• 积极解析：类加载时就解析所有符号引用（默认）
• 惰性解析：第一次使用时才解析（某些JVM实现）

3. 初始化（Initialization）

类加载的最后阶段，执行类的初始化代码。

触发时机（以下情况之一）：

1. 创建类的实例（new）
2. 访问类的静态变量（非final）
3. 调用类的静态方法
4. 使用反射（Class.forName()）
5. 初始化子类时，父类未初始化
6. JVM启动时指定的主类

执行内容 ：执行<clinit>()方法（类构造器）

public class Example {
    // 静态变量赋值（收集到<clinit>()）
    public static int a = initA();
    
    // 静态代码块（收集到<clinit>()）
    static {
        System.out.println("静态代码块");
    }
    
    private static int initA() {
        return 100;
    }
    
    // <clinit>()方法包含：
    // 1. a = initA()
    // 2. System.out.println("静态代码块")
}

初始化顺序：

1. 父类静态变量和静态代码块
2. 子类静态变量和静态代码块
3. 父类实例变量和实例代码块
4. 父类构造器
5. 子类实例变量和实例代码块
6. 子类构造器

4. 使用（Using）

类完成加载后进入使用阶段，程序可以：

• 创建类的实例对象
• 访问类的静态成员
• 调用类的方法
• 使用反射操作类

5. 卸载（Unloading）

当类不再被需要时，JVM会将其从内存中卸载。

卸载条件（同时满足）：

1. 实例全部回收：该类所有的实例都已被垃圾回收
2. ClassLoader回收：加载该类的ClassLoader已被回收
3. Class对象无引用：该类的Class对象没有被任何地方引用

卸载过程：

// 假设场景：Web应用卸载
WebappClassLoader loader = new WebappClassLoader();
Class<?> clazz = loader.loadClass("com.example.MyServlet");

// 当Web应用停止时：
// 1. 销毁所有MyServlet实例 → 实例回收 ✓
// 2. 回收WebappClassLoader → ClassLoader回收 ✓  
// 3. 清除对Class对象的引用 → 无引用 ✓
// 结果：MyServlet类被卸载

注意事项：

1. 由启动类加载器加载的类通常不会被卸载
2. 自定义类加载器加载的类在适当条件下可被卸载
3. 类的卸载有助于减少元空间内存占用

📌 完整类加载流程图

开始
  ↓
[加载阶段]
  ├── 读取.class文件
  ├── 转换运行时结构
  ├── 创建Class对象
  └── 建立方法区访问入口
  ↓
[链接阶段]
  ├── [验证]
  │   ├── 文件格式验证
  │   ├── 元数据验证  
  │   ├── 字节码验证
  │   └── 符号引用验证
  │
  ├── [准备]
  │   ├── 分配静态变量内存
  │   ├── 设置默认值/实际值
  │   └── 处理static final常量
  │
  └── [解析]
      ├── 类/接口解析
      ├── 字段解析
      └── 方法解析
      ↓
[初始化阶段]
  ├── 执行<clinit>()方法
  ├── 初始化静态变量
  └── 执行静态代码块
  ↓
[使用阶段]
  ├── 创建实例
  ├── 访问成员
  └── 调用方法
  ↓
[卸载阶段]（条件满足时）
  ├── 回收所有实例
  ├── 回收ClassLoader
  └── 清除Class引用
  ↓
结束

关键要点总结

1. 类加载是懒加载的：只有真正使用时才会触发初始化
2. 准备阶段只处理静态变量：实例变量在对象创建时初始化
3. 解析将符号变直接：从描述性引用到具体内存地址
4. 初始化执行clinit()：收集所有静态初始化代码
5. 卸载条件苛刻：需要实例、ClassLoader、Class对象都符合条件
6. 双亲委派保护核心：防止核心类被篡改，确保类唯一性