JVM类加载机制概述：加载时机与加载过程

摘要：

　　我们知道，一个.java文件在编译后会形成相应的一个或多个Class文件，这些Class文件中描述了类的各种信息，并且它们最终都需要被加载到虚拟机中才能被运行和使用。事实上，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类型的过程就是虚拟机的类加载机制。本文概述了JVM加载类的时机和生命周期，并结合典型案例重点介绍了类的初始化过程，揭开了JVM类加载机制的神秘面纱。

本文原创作者：书呆子Rico

作者博客地址：http://blog.csdn.net/justloveyou_/

　　JVM类加载机制主要包括两个问题：类加载的时机与步骤 和 类加载的方式。本文主要阐述了第一个问题，关于类加载的方式等方面的内容，包括JVM预定义的类加载器、双亲委派模型等知识点，请参见我的博文《深入理解Java类加载器(一)：Java类加载原理解析》。

　　一个Java对象的创建过程往往包括两个阶段：类初始化阶段 和 类实例化阶段。本文的姊妹篇《 深入理解Java对象的创建过程：类的初始化与实例化》在本文基础上，详细深入阐述了一个Java对象在JVM中的真实创建过程。

　　注意，本文内容是以HotSpot虚拟机为基准的。

一、类加载机制概述

　　我们知道，一个.java文件在编译后会形成相应的一个或多个Class文件（若一个类中含有内部类，则编译后会产生多个Class文件），但这些Class文件中描述的各种信息，最终都需要加载到虚拟机中之后才能被运行和使用。事实上，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类型的过程就是虚拟机的 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，类型的加载和连接都是在程序运行期间完成，这样会在类加载时稍微增加一些性能开销，但是却能为Java应用程序提供高度的灵活性，Java中天生可以动态扩展的语言特性多态就是依赖运行期动态加载和动态链接这个特点实现的。例如，如果编写一个使用接口的应用程序，可以等到运行时再指定其实际的实现。这种组装应用程序的方式广泛应用于Java程序之中。

　　既然这样，那么，

• 虚拟机什么时候才会加载Class文件并初始化类呢？（类加载和初始化时机）
• 虚拟机如何加载一个Class文件呢？（Java类加载的方式：类加载器、双亲委派机制，详见博文《深入理解Java类加载器(一)：Java类加载原理解析》）
• 虚拟机加载一个Class文件要经历那些具体的步骤呢？（类加载过程/步骤）

二. 类加载的时机

　　Java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)七个阶段。其中准备、验证、解析3个部分统称为连接（Linking），如图所示：

　　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，而解析阶段则不一定：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（也称为动态绑定或晚期绑定）。以下陈述的内容都已HotSpot为基准。特别需要注意的是，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地“开始”，而不是按部就班的“进行”或“完成”，因为这些阶段通常都是相互交叉地混合式进行的，也就是说通常会在一个阶段执行的过程中调用或激活另外一个阶段。

　　了解了Java类的生命周期以后，那么我们现在来回答第一个问题：虚拟机什么时候才会加载Class文件并初始化类呢？

　　什么情况下虚拟机需要开始加载一个类呢？虚拟机规范中并没有对此进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。

　　那么，什么情况下虚拟机需要开始初始化一个类呢？这在虚拟机规范中是有严格规定的，虚拟机规范指明 有且只有 五种情况必须立即对类进行初始化（而这一过程自然发生在加载、验证、准备之后）：

　　1) 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令（注意，newarray指令触发的只是数组类型本身的初始化，而不会导致其相关类型的初始化，比如，new String[]只会直接触发String[]类的初始化，也就是触发对类[Ljava.lang.String的初始化，而直接不会触发String类的初始化）时，如果类没有进行过初始化，则需要先对其进行初始化。生成这四条指令的最常见的Java代码场景是：

• 使用new关键字实例化对象的时候；
• 读取或设置一个类的静态字段（被final修饰，已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候；
• 调用一个类的静态方法的时候。

　　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jdk1.7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，并且这个方法句柄所对应的类没有进行初始化，则需要先出触发其初始化。

　　特别需要指出的是，类的实例化与类的初始化是两个完全不同的概念：

• 类的实例化是指创建一个类的实例(对象)的过程；
• 类的初始化是指为类中各个类成员(被static修饰的成员变量)赋初始值的过程，是类生命周期中的一个阶段。

　　1)、通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化

public class SSClass{
    static{
        System.out.println("SSClass");
    }
}  

public class SClass extends SSClass{
    static{
        System.out.println("SClass init!");
    }

    public static int value = 123;

    public SClass(){
        System.out.println("init SClass");
    }
}

public class SubClass extends SClass{
    static{
        System.out.println("SubClass init");
    }

    static int a;

    public SubClass(){
        System.out.println("init SubClass");
    }
}

public class NotInitialization{
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}/* Output:
        SSClass
        SClass init!
        123
 *///:~

　　对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。在本例中，由于value字段是在类SClass中定义的，因此该类会被初始化；此外，在初始化类SClass时，虚拟机会发现其父类SSClass还未被初始化，因此虚拟机将先初始化父类SSClass，然后初始化子类SClass，而SubClass始终不会被初始化。

public class NotInitialization{
    public static void main(String[] args){
        SClass[] sca = new SClass[10];
    }
}

　　上述案例运行之后并没有任何输出，说明虚拟机并没有初始化类SClass。但是，这段代码触发了另外一个名为[Lcn.edu.tju.rico.SClass的类的初始化。从类名称我们可以看出，这个类代表了元素类型为SClass的一维数组，它是由虚拟机自动生成的，直接继承于Object的子类，创建动作由字节码指令newarray触发。

public class ConstClass{

    static{
        System.out.println("ConstClass init!");
    }

    public static  final String CONSTANT = "hello world";
}

public class NotInitialization{
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(ConstClass.CONSTANT);
    }
}/* Output:
        hello world
 *///:~

　　上述代码运行之后，只输出 “hello world”，这是因为虽然在Java源码中引用了ConstClass类中的常量CONSTANT，但是编译阶段将此常量的值“hello world”存储到了NotInitialization常量池中，对常量ConstClass.CONSTANT的引用实际都被转化为NotInitialization类对自身常量池的引用了。也就是说，实际上NotInitialization的Class文件之中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译为Class文件之后就不存在关系了。

三. 类加载过程

　　如下图所示，我们在上文已经提到过一个类的生命周期包括加载（Loading）、验证（Verification）、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using) 和 卸载(Unloading)七个阶段。现在我们一一学习一下JVM在加载、验证、准备、解析和初始化五个阶段是如何对每个类进行操作的。

　　在加载阶段（可以参考java.lang.ClassLoader的loadClass()方法），虚拟机需要完成以下三件事情：

　　(1). 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流（并没有指明要从一个Class文件中获取，可以从其他渠道，譬如：网络、动态生成、数据库等）；

　　(2). 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；

　　(3). 在内存中(对于HotSpot虚拟就而言就是方法区)生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口；

　　加载阶段和连接阶段（Linking）的部分内容（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

　　特别地，第一件事情(通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流)是由类加载器完成的，具体涉及JVM预定义的类加载器、双亲委派模型等内容，详情请参见我的转载博文《深入理解Java类加载器(一)：Java类加载原理解析》中的说明，此不赘述。

　　验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保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。 验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

• 文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范(例如，是否以魔术0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型)
• 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求(例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外)；
• 字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的;
• 符号引用验证：确保解析动作能正确执行。

  　　验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响。如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

　　准备阶段是正式为类变量(static 成员变量)分配内存并设置类变量初始值（零值）的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。这时候进行内存分配的仅包括类变量，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在堆中。其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：

    public static int value = 123;

　　那么，变量value在准备阶段过后的值为0而不是123。因为这时候尚未开始执行任何java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器方法<clinit>()之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。至于“特殊情况”是指：当类字段的字段属性是ConstantValue时，会在准备阶段初始化为指定的值，所以标注为final之后，value的值在准备阶段初始化为123而非0。

　　public static final int value = 123;

　　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。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。

　　类初始化阶段是类加载过程的最后一步。在前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的java程序代码(字节码)。

　　在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值(零值)；而在初始化阶段，则根据程序猿通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者更直接地说：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。<clinit>()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块static{}中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的，静态语句块只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问。如下：

public class Test{
    static{
        i=0;
        System.out.println(i);//Error：Cannot reference a field before it is defined（非法向前应用）
    }
    static int i=1;
}

　　那么注释报错的那行代码，改成下面情形，程序就可以编译通过并可以正常运行了。

public class Test{
    static{
        i=0;
        //System.out.println(i);
    }

    static int i=1;

    public static void main(String args[]){
        System.out.println(i);
    }
}/* Output:
        1
 *///:~

　　类构造器<clinit>()与实例构造器<init>()不同，它不需要程序员进行显式调用，虚拟机会保证在子类类构造器<clinit>()执行之前，父类的类构造<clinit>()执行完毕。由于父类的构造器<clinit>()先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块/静态变量的初始化要优先于子类的静态语句块/静态变量的初始化执行。特别地，类构造器<clinit>()对于类或者接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生产类构造器<clinit>()。

　　虚拟机会保证一个类的类构造器<clinit>()在多线程环境中被正确的加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的类构造器<clinit>()，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。特别需要注意的是，在这种情形下，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行<clinit>()方法的那条线程退出后，其他线程在唤醒之后不会再次进入/执行<clinit>()方法，因为 在同一个类加载器下，一个类型只会被初始化一次。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是隐藏的，如下所示：

public class DealLoopTest {
    static{
        System.out.println("DealLoopTest...");
    }
    static class DeadLoopClass {
        static {
            if (true) {
                System.out.println(Thread.currentThread()
                        + "init DeadLoopClass");
                while (true) {      // 模拟耗时很长的操作
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Runnable script = new Runnable() {   // 匿名内部类
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread() + " start");
                DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();
                System.out.println(Thread.currentThread() + " run over");
            }
        };

        Thread thread1 = new Thread(script);
        Thread thread2 = new Thread(script);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}/* Output:
        DealLoopTest...
        Thread[Thread-1,5,main] start
        Thread[Thread-0,5,main] start
        Thread[Thread-1,5,main]init DeadLoopClass
 *///:~

　　如上述代码所示，在初始化DeadLoopClass类时，线程Thread-1得到执行并在执行这个类的类构造器<clinit>() 时，由于该方法包含一个死循环，因此久久不能退出。

四. 典型案例分析

　　我们知道，在Java中， 创建一个对象常常需要经历如下几个过程：父类的类构造器<clinit>() -> 子类的类构造器<clinit>() -> 父类的成员变量和实例代码块 -> 父类的构造函数 -> 子类的成员变量和实例代码块 -> 子类的构造函数。至于为什么是这样的一个过程，笔者在本文的姊妹篇《 深入理解Java对象的创建过程：类的初始化与实例化》很好的解释了这个问题。

　　那么，我们看看下面的程序的输出结果：

public class StaticTest {
    public static void main(String[] args) {
        staticFunction();
    }

    static StaticTest st = new StaticTest();

    static {   //静态代码块
        System.out.println("1");
    }

    {       // 实例代码块
        System.out.println("2");
    }

    StaticTest() {    // 实例构造器
        System.out.println("3");
        System.out.println("a=" + a + ",b=" + b);
    }

    public static void staticFunction() {   // 静态方法
        System.out.println("4");
    }

    int a = 110;    // 实例变量
    static int b = 112;     // 静态变量
}/* Output:
        2
        3
        a=110,b=0
        1
        4
 *///:~

　　大家能得到正确答案吗？虽然笔者勉强猜出了正确答案，但总感觉怪怪的。因为在初始化阶段，当JVM对类StaticTest进行初始化时，首先会执行下面的语句：

static StaticTest st = new StaticTest();

　　也就是实例化StaticTest对象，但这个时候类都没有初始化完毕啊，能直接进行实例化吗？事实上，这涉及到一个根本问题就是：实例初始化不一定要在类初始化结束之后才开始初始化。 下面我们结合类的加载过程说明这个问题。

　　我们知道，类的生命周期是：加载->验证->准备->解析->初始化->使用->卸载，并且只有在准备阶段和初始化阶段才会涉及类变量的初始化和赋值，因此我们只针对这两个阶段进行分析：

　　首先，在类的准备阶段需要做的是为类变量（static变量）分配内存并设置默认值(零值)，因此在该阶段结束后，类变量st将变为null、b变为0。特别需要注意的是，如果类变量是final的，那么编译器在编译时就会为value生成ConstantValue属性，并在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将变量设置为指定的值。也就是说，如果上述程度对变量b采用如下定义方式时：

static final int b=112

　　那么，在准备阶段b的值就是112，而不再是0了。

　　此外，在类的初始化阶段需要做的是执行类构造器<clinit>()，需要指出的是，类构造器本质上是编译器收集所有静态语句块和类变量的赋值语句按语句在源码中的顺序合并生成类构造器<clinit>()。因此，对上述程序而言，JVM将先执行第一条静态变量的赋值语句：

st = new StaticTest ()

　　此时，就碰到了笔者上面的疑惑，即“在类都没有初始化完毕之前，能直接进行实例化相应的对象吗？”。事实上，从Java角度看，我们知道一个类初始化的基本常识，那就是：在同一个类加载器下，一个类型只会被初始化一次。所以，一旦开始初始化一个类型，无论是否完成，后续都不会再重新触发该类型的初始化阶段了(只考虑在同一个类加载器下的情形)。因此，在实例化上述程序中的st变量时，实际上是把实例初始化嵌入到了静态初始化流程中，并且在上面的程序中，嵌入到了静态初始化的起始位置。这就导致了实例初始化完全发生在静态初始化之前，当然，这也是导致a为110b为0的原因。

　　因此，上述程序的StaticTest类构造器<clinit>()的实现等价于：

public class StaticTest {
    <clinit>(){
        a = 110;    // 实例变量
        System.out.println("2");        // 实例代码块
        System.out.println("3");     // 实例构造器中代码的执行
        System.out.println("a=" + a + ",b=" + b);  // 实例构造器中代码的执行
        类变量st被初始化
        System.out.println("1");        //静态代码块
        类变量b被初始化为112
    }
}

　　因此，上述程序会有上面的输出结果。下面，我们对上述程序稍作改动，如下所示：

public class StaticTest {
    public static void main(String[] args) {
        staticFunction();
    }

    static StaticTest st = new StaticTest();

    static {
        System.out.println("1");
    }

    {
        System.out.println("2");
    }

    StaticTest() {
        System.out.println("3");
        System.out.println("a=" + a + ",b=" + b);
    }

    public static void staticFunction() {
        System.out.println("4");
    }

    int a = 110;
    static int b = 112;
    static StaticTest st1 = new StaticTest();
}

　　在程序最后的一行，增加以下代码行：

    static StaticTest st1 = new StaticTest();

　　那么，此时程序的输出又是什么呢？如果你对上述的内容理解很好的话，不难得出结论(只有执行完上述代码行后，StaticTest类才被初始化完成)，即：

2
3
a=110,b=0
1
2
3
a=110,b=112
4

class Foo {
    int i = 1;

    Foo() {
        System.out.println(i);
        int x = getValue();
        System.out.println(x);
    }

    {
        i = 2;
    }

    protected int getValue() {
        return i;
    }
}

//子类
class Bar extends Foo {
    int j = 1;

    Bar() {
        j = 2;
    }

    {
        j = 3;
    }

    @Override
    protected int getValue() {
        return j;
    }
}

public class ConstructorExample {
    public static void main(String... args) {
        Bar bar = new Bar();
        System.out.println(bar.getValue());
    }
}

　　那么，这个程序的输出又是什么呢？当然，程序跑一下就知道结果。其实，对于这类型题目，我们只要真正理解类的实例化过程，就可以做到所向披靡。关于该题目的讲解和Java对象创建过程的讲解，我的下一篇博文《 深入理解Java对象的创建过程：类的初始化与实例化》进行了深入的阐述~~

五. 更多

　　更多关于类加载器等方面的内容，包括JVM预定义的类加载器、双亲委派模型等知识点，请参见我的转载博文《深入理解Java类加载器(一)：Java类加载原理解析》。

　　关于一个Java对象在JVM中的真实创建过程，请移步本文的姊妹篇《 深入理解Java对象的创建过程：类的初始化与实例化》。

引用:

《深入理解java虚拟机》周志明著

Java虚拟机类加载机制

Java虚拟机类加载机制——案例分析