Java虚拟机加载类

Java虚拟机是如何加载Java类的

Java虚拟机加载Java类总共需要经过3步：加载-----链接-----初始化。Java语言的类型可以分为两大类：基本类型和引用类型。基本类型是有Java虚拟机预先定义好的。引用数据类型可以细分为类、接口、数组类、泛型参数，泛型参数在编译期间会被擦除，因此Java虚拟机负责的只有三种，并且数组类是有Java虚拟机直接生成的，只有类和接口有相应的字节流。

最常见的字节流形式是由Java编译器生成的class文件，。除此之外，我们也可以在程序内部直接生成，或者从网络中获取（例如网页中内嵌的小程序 Java applet）字节流。这些不同形式的字节流，都会被加载到Java虚拟机中，成为类和接口。

但是无论是直接生成的数组类，还是加载的类，Java虚拟机都需要对它进行连接和初始化。

加载

加载是指查找字节流，并根据字节流创建对象的过程。如何查找字节流呢？Java虚拟机借助了类加载器来完成这个过程。

启动类加载器是Java类加载器的祖先，是由 C++ 实现的，没有对应的 Java 对象，因此在 Java 中只能用null 来指代。除了它之外，其他的类加载器都是java.lang.ClassLoader的子类，因此有对应的Java对象，这些类加载器都需要另一个加载器（比方说启动类加载器）加载至Java虚拟机中才能执行。

Java虚拟机中存在一个双亲委派模型，也就是当一个类加载器接收到加载请求的时候，会将请求先转发给父类加载器，父类加载器没有找到所请求的类的情况下，该类加载器才会尝试去加载。

在 Java 9 之前，启动类加载器负责加载最为基础、最为重要的类，比如存放在 JRE 的 lib 目录下 jar 包中的类（以及由虚拟机参数 -Xbootclasspath 指定的类）。除了启动类加载器之外，另外两个重要的类加载器是扩展类加载器（extension class loader）和应用类加载器（application class loader），均由 Java 核心类库提供。

扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。它负责加载相对次要、但又通用的类，比如存放在JRE 的 lib/ext 目录下 jar 包中的类（以及由系统变量 java.ext.dirs 指定的类）。

应用类加载器的父类加载器则是扩展类加载器。它负责加载应用程序路径下的类。（这里的应用程序路径，便是指虚拟机参数 -cp/-classpath、系统变量 java.class.path 或环境变量CLASSPATH 所指定的路径。）默认情况下，应用程序中包含的类便是由应用类加载器加载的。

Java9引入模块系统，扩展类加载器改名为平台类加载器。Java SE 中除了少数几个关键模块，比如说 java.base 是由启动类加载器加载之外，其他的模块均由平台类加载器所加载。

在 Java 虚拟机中，类的唯一性是由类加载器实例以及类的全名一同确定的。即便是同一串字节流，经由不同的类加载器加载，也会得到两个不同的类。

链接

链接，是指将创建成的类合并至 Java 虚拟机中，使之能够执行的过程。它可分为验证、准备以及解析三个阶段。

验证阶段的目的是确保加载类能够满足Java虚拟机的约束条件，通常而言，Java编译器生成的类文件必然满足Java虚拟机的约束条件。

准备阶段的目的是为加载类的静态字段分配内存。Java代码对静态字段的具体初始化会在初始化阶段完成。部分 Java 虚拟机还会在此阶段构造其他跟类层次相关的数据结构，比如说用来实现虚方法的动态绑定的方法表。

在 class 文件被加载至 Java 虚拟机之前，这个类无法知道其他类及其方法、字段所对应的具体地址，甚至不知道自己方法、字段的地址。因此，每当需要引用这些成员时，Java 编译器会生成一个符号引用。解析阶段的目的，正是将这些符号引用解析成为实际引用。如果符号引用指向一个未被加载的类，或者未被加载类的字段或方法，那么解析将触发这个类的加载。

Java 虚拟机规范并没有要求在链接过程中完成解析。它仅规定了：如果某些字节码使用了符号引用，那么在执行这些字节码之前，需要完成对这些符号引用的解析。

初始化

在 Java 代码中，如果要初始化一个静态字段，可以在声明时直接赋值，也可以在静态代码块中对其赋值。

如果直接赋值的静态字段被 final 所修饰，并且它的类型是基本类型或字符串时，那么该字段便会被 Java 编译器标记成常量值（ConstantValue），其初始化直接由 Java 虚拟机完成。除此之外的直接赋值操作，以及所有静态代码块中的代码，则会被 Java 编译器置于同一方法中，并把它命名为。

类加载的最后一步是初始化，便是为标记为常量值的字段赋值，以及执行方法的过程。Java 虚拟机会通过加锁来确保类的方法仅被执行一次。只有当初始化完成之后，类才正式成为可执行的状态。

类的初始化何时会被触发呢？

• 当虚拟机启动时，初始化用户指定的主类；
• 当遇到用以新建目标类实例的 new 指令时，初始化 new 指令的目标类；
• 当遇到调用静态方法的指令时，初始化该静态方法所在的类；
• 当遇到访问静态字段的指令时，初始化该静态字段所在的类；
• 子类的初始化会触发父类的初始化；
• 如果一个接口定义了 default 方法，那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化，会触发该接口的初始化；
• 使用反射 API 对某个类进行反射调用时，初始化这个类；

• 当初次调用 MethodHandle 实例时，初始化该 MethodHandle 指向的方法所在的类。

  public class Singleton {
  private Singleton() {}
  private static class LazyHolder {
  static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
  }
  public static Singleton getInstance() {
  return LazyHolder.INSTANCE;
  }
  }

只有当调用Singleton.getInstance 时，程序才会访问 LazyHolder.INSTANCE，才会触发对 LazyHolder的初始化（对应第 4 种情况），继而新建一个 Singleton 的实例。

总结

Java 虚拟机将字节流转化为 Java 类的过程。这个过程可分为加载、链接以及初

始化三大步骤。

加载是指查找字节流，并且据此创建类的过程。加载需要借助类加载器，在 Java 虚拟机中，类加载器使用了双亲委派模型，即接收到加载请求时，会先将请求转发给父类加载器。

链接，是指将创建成的类合并至 Java 虚拟机中，使之能够执行的过程。链接还分验证、准备和解析三个阶段。其中，解析阶段为非必须的。

初始化，则是为标记为常量值的字段赋值，以及执行方法的过程。类的初始化仅会被执行一次，这个特性被用来实现单例的延迟初始化。