【Java】类加载机制

1.概述

类加载指的是把class文件载入到内存，并创建运行时数据的过程。一个类的生命周期为：

加载 连接 初始化 使用 卸载。其中的连接又可以分为三部分，验证 准备 解析。

2.类加载的时机

在以下四种情况下会触发类加载：

（1）实例化一个对象或者使用类变量或者调用类方法时，类没有被加载；

（2）使用反射，类没有被加载；

（3）初始化类时，其父类没有被加载，那么就需要加载父类；

（4）主类，即包含main入口的类

3.加载

该过程主要做两件事：

（1）使用类加载器根据全类名把class文件独到内存中

（2）创建Class对象，该对象的位置没有明确规定，可以在堆区，也可以在方法区。

4.验证

因为class文件可以来源于任何地方，我们甚至可以手动生成一个，所以虚拟机必须检测其格式是否正确，以防对虚拟机造成损害。验证主要涉及一下四方面内容：

（1）格式：魔数，版本号以及表类型

（2）元数据：语义级别，比如final的类不能被继承

（3）字节码：分析控制流，看执行会不会有问题

（4）符号引用：能否找到，可见性等

5.准备

这个阶段主要为Class实例的变量分配空间并设置初始值，注意这里的初始值全被被设置为0。与类构造方法不同。

比如static int a = 123;那么在准备阶段只是设置a的值为0，在类的构造器中，才会为其赋值123。类的构造器是什么？是虚拟机自动生成的为类变量赋值的方法，比如静态块或者显式的赋值（就像这里的123）。

6.解析

把一个class文件加载进来以后，方法体内部的变量全部是符号引用，也就是指向了常量池里的变量名字符串，此时还没有定位到内存中的其他区域。解析就是把符号引用替换为直接引用的过程。直接引用才与虚拟机的内存相关。

解析主要针对以下七种符号引用：

类或接口，字段，类的方法，接口的方法，方法类型，方法句柄和调用点限制。

下面先来看前三种

（1）类或接口，java是强类型语言，所有变量必须先声明再使用，申明的的过程就会指明类名，所有设计类型或者接口的地方都会生成一个Class_info的常量池项目。这里就是对这类符号进行解析。假设当前的类为A，A的方法内部有一个B的实例，那么虚拟机最后就需要解析这个B。

如果B不是数组类型，就会用A的类加载器按照B的全限定类名来定位B的class文件位置，进行加载，当然也要有验证准备等阶段。如果B是数字类型，就加载数组中元素的class，一旦加载完毕，还需要检测访问权限，如果没有，那么就抛出IllegalAccessError异常。最后常量池的服药引用会与B的class对象关联起来。

（2）字段，源文件中的任何字段，包括自己定义的和使用别的类的，都会生成一个Fieldref_info常量项目。要解析一个字段，首先需要解析字段所在的类或者接口，然后才能解析字段。假设该字段所在的类为C，已经解析，那么首先看C里面是否有该字段，如果有，那么结束。否则看C实现的接口内部是否有，否则再看C的父类是否有（递归），如果都没有抛出一个异常。

（3）方法，解析但是Methodref_info常量。首先解析对应的类型，假设为C。然后先看C是否有，若没有看C的父类是否有，若没有看C的父类接口或者C的接口中是否有，如果接口有，那么说明没有实现，抛出一个异常。

总体而言，解析与class文件格式息息相关，class文件格式中的常量池有14种类型的常量，class中的任何名称都会被放入常量池中，解析其实就是将对常量池中的字面量转换为直接引用的过程。到目前为止，我们就明白了类型级别的解析过程，就是把当前class中用到的全部外部的类型或者字段方法全部定位到内存中其他的Class实例。当时与变量相关的解析还没有进行。

总体而言，类加载就是把一个class文件载入内存中，然后创建一个Class实例，并且解析内部的符号的过程。

7.初始化

这一步之前，并没有执行任何程序员编写的代码，都是虚拟机自己主导的，到初始化阶段才会开始执行用户自定义的代码。这个阶段主要是为类变量赋值的，执行类的构造方法<cinit>。

那么<cinit>如何生成？

虚拟机会收集所有类变量的赋值语句以及静态块然后自动生成<cinit>，程序员并不会感知这件事。关于<cinit>，在多线程环境下是需要注意的，虚拟机会加锁，同步，保证多个线程同时初始化一个类时，只有一个线程可移植性<cinit>方法，其余的方法会被阻塞。这就是使用静态内部类实现单例的原理。