03 Java 虚拟机是如何加载 Java 类的

Posted 2021-02-03 黑_子

Java 引用类型

Java 中的引用类型细分为四种：类，接口，数组类和泛型参数。

因为泛型参数会在编译过程中被擦除，所以 Java 虚拟机实际上只有前三种。数组类是由 Java 虚拟机直接生成的，其他两种则有对应的字节流。

无论是数组类还是其他两种类型，Java 虚拟机都需要对其进行链接和初始化。

加载

加载就是查找字节流，然后据此创建类的过程。数组类由 Java 虚拟机直接生成，其他类则需要 Java 虚拟机借助类加载器来完成查找字节流的过程。

类加载器有很多种，除了启动类加载器以外，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先由其他类加载器比如说启动类加载器加载到 Java 虚拟机中，方能执行类加载。

双亲委派机制：每当一个类加载器接收到加载请求时，它会先将请求转发给父类加载器。如果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基础最重要的类。除了启动类加载器之外，还有扩展类加载器和应用类加载器，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通用的类。

应用类加载器的父类加载器是扩展类加载器。它负责加载应用程序路径下的类。

Java 9 中扩展类加载器被改名为平台类加载器。Java SE 中除了少数几个关键模块是由启动类加载器加载之外，其他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。

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。它可以分为：验证，准备和解析三个阶段。

验证阶段：确保加载类能够满足 Java 虚拟机的约束条件。通常情况下，Java 编译器生成的类文件必然满足 Java 虚拟机的约束条件。（除了字节码注入）

准备阶段：为被加载类的静态字段分配内存，初始化则会在初始化阶段进行。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以及其方法和字段所对应的具体地址，甚至不知道自己方法和字段的地址。当需要引用这些成员时，Java 编译器会生成一个符号引用，在运行阶段这些符号引用会定位到具体目标上。

解析阶段就是将这些符号引用解析成为实际引用。

Java 虚拟机规定：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。也就是说，在链接过程中不要求一定解析完成。

初始化

在 Java 代码中，初始化一个静态字段，可以声明时赋值，也可以在静态代码块中赋值。

如果被赋值的静态字段被 final 修饰，并且它是基本类型或者字符串时，那么该字段便会被 Java 编译器标记成常量值，其初始化直接由 Java 虚拟机完成。除此之外的直接复制操作每一集静态代码块中的代码，都会被 Java 编译器置于同一方法中，命名为 。

类的初始化，就是为标记常量的字段赋值，以及执行 方法的过程。Java 虚拟机会通过枷锁来确保类的 方法只被执行一次。

举例一下情况会触发类的初始化：
1：虚拟机启动时，初始化用户指定的主类。
2：遇到 new 指令时，初始化 new 指令的目标类。
3：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。
4：当遇到访问静态字段的指令时，初始化该静态方法所在的类。
5：子类的初始化会触发父类的初始化。
6：如果一个接口定义了 default 方法，那么实现该接口的类初始化时，会触发接口的初始化。
7：使用反射 API 对某个类进行反射调用时，初始化该类。

问答

Q：新建类，和新建类的数组，初始化过程

新建类的时候，需要加载，链接和初始化。新建类的数组的时候，由于并没有使用类，所以只需要加载该类。如果需要使用该类了，在执行类的链接和初始化。

Q：类的初始化和实例的初始化区别，初始化后的类存储在什么地方

类的初始化只有一次，通过类的加载链接生成对应的数据结构，存储在元空间。实例的初始化可以有多次。

Q：类中的静态字段，如果没有被 JVM 标记为常量，那么如何分配内存

加载类的过程，都会分配内存，只是初始化的时候不一样：一个是在 JVM 中直接复制，一个是在 clinit 方法中复制。

Q clinit 执行时的锁，是什么锁，跟 synchronized 一样吗

clinit 执行时的锁是虚拟机内部锁，和 synchronized 不一样。

总结

本文创作灵感来源于 极客时间 郑雨迪老师的《深入拆解 Java 虚拟机》课程，通过课后反思以及借鉴各位学友的发言总结，现整理出自己的知识架构，以便日后温故知新，查漏补缺。

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