A2. JVM 类加载机制

【概述】

　　虚拟机把描述类的数据从 Class 文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的 Java 类型，这就是虚拟机的类加载机制。

　　与那些在编译时需要进行连接工作的语言不同，在 Java 语言里面，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的，这种策略虽然会令类加载时稍微增加一点性能开销，但是会为 Java 应用程序提供高度的灵活性， Java 里天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。例如，如果编写一个面向接口的应用程序，可以等到运行时再指定其实际的实现类；用户可以通过 Java 预定义的和自定义的类加载器，让一个本地的应用程序可以在运行时从网络或者其他地方加载一个二进制流作为程序代码的一部分，这种组装应用程序的方式目前已经广泛应用于 Java 程序之中。从最基础的 Applet、JSP 到相对复杂的 OSGI 技术，都使用了 Java 语言运用期类加载的特性。

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【Q】：类的生命周期是怎么样的？

【A】：类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7 个阶段。其中，验证、准备、解析 3个部分统称为连接（Linking）。这7个阶段的发生顺序如下图所示：

1.1 类的生命周期

　　图 1.1 中，加载、验证、准备、初始化和卸载这 5 个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，但是解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持 Java 语言的运行时绑定（也被称为动态绑定或晚期绑定）。

　　什么情况下需要开始类加载过程中的第一个阶段：加载？Java 虚拟机规范中并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行 “初始化” （而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）

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【Q】：什么时候进行类的 “初始化”？

【A】：以下是虚拟机规范的需要对类进行 “初始化” 的5种情况：

1).  遇到 new、getstatic、putstatic 或者 invokestatic 这 4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的 Java 代码场景是：使用 new 关键字实例化对象的时候、读取或者设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。

2). 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

3). 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。

4). 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含 main() 方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。

5). 当使用 jdk 1.7 的动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后解析结果 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。

　　对于这5种会触发类进行初始化的场景，虚拟机规范中使用了一个很强烈的限定语：“有且只有”，这5种场景中的行为称为对一个类的主动引用。除了之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

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【Q】：被动引用的例子，或者说引用类但不会进行初始化的例子？

【A】：

1). 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。

/**
 *	通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化
 */
public class Main{
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(SubClass.value);
	}
}

class SuperClass{
	public static int value = 123;
	static{
		System.out.println("SuperClass init!");
	}
}

class SubClass extends SuperClass{
	static{
		System.out.println("SubClass init!");
	}
}

2).  通过数组定义来引用类, 不会触发类的初始化。

/**
 *	通过数组定义来引用类, 不会触发类的初始化
 */
public class Main{
	public static void main(String[] args) {
		SubClass[] subs = new SubClass[100];
	}
}

class SuperClass{
	public static int value = 123;
	static{
		System.out.println("SuperClass init!");
	}
}

class SubClass extends SuperClass{
	static{
		System.out.println("SubClass init!");
	}
}

3). 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，因此不会触发定义常量的类的初始化。

/**
 *	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，因此不会触发定义常量的类的初始化。
 */
public class Main{
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(ConstantClass.value);
	}
}

class ConstantClass{
	public final static int value = 123;
	static{
		System.out.println("ConstantClass init!");
	}
}

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【Q】：接口的加载过程和类的加载过程有什么不同？

【A】：接口的加载过程与类加载过程稍微有一些不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口也有初始化过程，这点与类是一致的，类可以使用静态代码块 “static{}” 来输出初始化信息，而接口中不可以定义初始化器，包括静态代码块、普通代码块和构造器，但编译器仍然会为接口生成 “<clinit>()” 类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类真正有所区别的是前面所讲述的“有且只有”需要开始初始化的5种场景中的第3种：当一个类初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成初始化，只有真正使用到父接口（如引用接口中定义的常量）才会初始化。同样的，当一个类实现一个接口，只有真正使用接口时，才会初始化。

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【Q】：类的初始化顺序？

【A】：如下面代码输出结果所示：

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		SubClass obj = new SubClass();
	}
}

class SuperClass{
	static String staticField = "父类静态变量";
	static{
		System.out.println(staticField);
		System.out.println("父类静态代码块");
	}

	String field = "父类普通变量";
	{
		System.out.println(field);
		System.out.println("父类初始化代码块");
	}
	public SuperClass(){
		System.out.println("父类构造器");
	}
}

class SubClass extends SuperClass{
	static String staticField = "子类静态变量";
	static{
		System.out.println(staticField);
		System.out.println("子类静态代码块");
	}

	String field = "子类普通变量";
	{
		System.out.println(field);
		System.out.println("子类初始化代码块");
	}
	public SubClass(){
		System.out.println("子类构造器");
	}
}

　　输出结果：

　　父类静态变量
　　父类静态代码块
　　子类静态变量
　　子类静态代码块
　　父类普通变量
　　父类初始化代码块
　　父类构造器
　　子类普通变量
　　子类初始化代码块
　　子类构造器