Java之类加载机制详解

Java类加载的过程是Java虚拟机（JVM）将Java类加载到内存中，并使其能够被程序使用的一系列步骤。这个过程包括加载、验证、准备、解析和初始化五个阶段。下面将详细解释这些阶段，并给出相应的代码示例。

一、加载（Loading）

加载阶段是类加载过程的第一个阶段。在这个阶段，JVM的主要任务是定位和读取类的二进制字节流，并将其转换为运行时数据结构。具体来说，加载阶段包括以下几个步骤：

1. 通过一个类的全限定名获取其定义的二进制字节流：

类的全限定名包括包名和类名，例如com.example.MyClass。JVM通过类加载器（如启动类加载器、扩展类加载器或应用程序类加载器）根据这个全限定名来查找并读取类的字节码文件（.class文件）。

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：

在加载阶段，JVM会将读取到的字节码文件转换为JVM内部使用的数据结构，并存储在方法区中。方法区是JVM内存中的一个区域，用于存储类的元数据信息、常量池、静态变量等数据。

3. 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象：

除了将类的元数据信息存储在方法区中，JVM还会在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象。这个Class对象作为方法区中该类的各种数据的访问入口，外部代码可以通过这个Class对象来访问类的元数据信息。

代码示例：

// 假设有一个名为MyClass的类
public class MyClass {
    // 类的成员和方法
}

// 在另一个类中加载MyClass类
public class ClassLoaderExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 使用ClassLoader的loadClass方法加载MyClass类
            Class<?> myClass = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("MyClass");
            // 输出加载的类名
            System.out.println("Loaded class: " + myClass.getName());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

二、验证（Verification）

验证阶段是类加载过程的第二个阶段。在这个阶段，JVM的主要任务是确保加载的类符合Java虚拟机规范的约束，不会危害JVM的安全。验证阶段包括以下几个步骤：

1. 文件格式验证：

验证字节流是否符合class文件格式的规范，例如是否以魔数0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机处理范围内、常量池是否有不支持的常量类型等。

2. 元数据验证：

对字节码描述的数据进行语义分析，确保描述信息符合Java语言规范的要求。例如，检查类是否有父类（除了java.lang.Object之外）、类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）、类是否实现了父类或接口中要求实现的所有方法等。

3. 字节码验证：

对类的方法体进行分析，确保在方法运行时不会有危害虚拟机的事件发生。例如，保证操作数栈的数据类型和指令代码序列的匹配、保证跳转指令的正确性、保证类型转换的有效性等。

4. 符号引用验证：

在解析阶段之前进行，确保符号引用中通过字符串描述的全限定名能够找到对应的类，在指定类中是否存在符合方法的字段描述符等。

代码示例：

验证阶段是由JVM自动完成的，不需要开发者编写代码。但开发者可以通过编写不符合Java虚拟机规范的代码来触发验证阶段的错误，例如：

public class InvalidClass {
    public static void main(String[] args) {
        // 这是一个无效的字节码指令，会触发验证阶段的错误
        int invalidOpcode = 0xDEADBEEF;
    }
}

三、准备（Preparation）

准备阶段是类加载过程的第三个阶段。在这个阶段，JVM的主要任务是为类的静态变量分配内存，并设置默认初始值。需要注意的是，这里的初始值是数据类型的零值，而不是代码中被赋予的值。具体来说，准备阶段包括以下几个步骤：

1. 为类的静态变量分配内存空间：

在方法区中为类的静态变量分配内存空间。静态变量是类级别的变量，与类的实例无关，因此它们的内存空间在类加载时就被分配了。

2. 设置默认初始值：

将静态变量的内存空间初始化为数据类型的零值。例如，int类型的静态变量被初始化为0，long类型的静态变量被初始化为0L，对象类型的静态变量被初始化为null等。

代码示例：

public class PreparationExample {
    // 静态变量，在准备阶段会被初始化为0
    static int staticVar = 10;

    // 在main方法中输出静态变量的值
    public static void main(String[] args) {
        // 输出静态变量的值，此时为0，因为准备阶段只设置了默认初始值
        System.out.println("staticVar = " + staticVar);

        // 静态变量在初始化阶段会被赋予代码中定义的值
        // 但由于静态变量的赋值操作在初始化阶段执行，所以这里不会改变准备阶段设置的默认初始值
        System.out.println("After initialization, staticVar = " + staticVar);
    }
}

四、解析（Resolution）

解析阶段是类加载过程的第四个阶段。在这个阶段，JVM的主要任务是将常量池中的符号引用替换为直接引用。符号引用是以一组符号来描述所引用的目标，而直接引用则可以直接指向目标的指针、相对偏移量或句柄。具体来说，解析阶段包括以下几个步骤：

1. 解析类或接口：

将常量池中对类或接口的符号引用替换为直接引用。例如，将java/lang/Object替换为指向java.lang.Object类在方法区中的直接引用。

2. 解析字段：

将常量池中对字段的符号引用替换为直接引用。例如，将java/lang/Object.hashCode替换为指向java.lang.Object类中hashCode字段的直接引用。

3. 解析方法：

将常量池中对方法的符号引用替换为直接引用。例如，将java/lang/Object.<init>替换为指向java.lang.Object类构造方法的直接引用。

代码示例：

解析阶段是由JVM自动完成的，不需要开发者编写代码。但开发者可以通过编写使用反射机制的代码来间接观察解析阶段的结果。例如：

import java.lang.reflect.Field;

public class ResolutionExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 获取String类的Class对象
            Class<?> stringClass = Class.forName("java.lang.String");
            // 获取String类中名为"value"的字段
            Field valueField = stringClass.getDeclaredField("value");
            // 输出字段的名称和类型
            System.out.println("Field name: " + valueField.getName());
            System.out.println("Field type: " + valueField.getType());
        } catch (ClassNotFoundException | NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

五、初始化（Initialization）

初始化阶段是类加载过程的最后一个阶段。在这个阶段，JVM的主要任务是执行类的初始化代码，包括静态变量的赋值和静态块的执行。具体来说，初始化阶段包括以下几个步骤：

1. 执行静态变量的赋值操作：

根据代码中的定义，为静态变量赋予正确的初始值。这个赋值操作是在准备阶段之后进行的，因此会覆盖准备阶段设置的默认初始值。

2. 执行静态代码块：

按照源代码中静态代码块出现的顺序依次执行静态代码块中的语句。静态代码块是类级别的代码块，只会在类加载时执行一次。

代码示例：

public class InitializationExample {
    // 静态变量，在准备阶段会被初始化为0，在初始化阶段会被赋予10
    static int staticVar = 10;

    // 静态代码块
    static {
        System.out.println("Static block executed.");
        // 可以在静态代码块中为静态变量赋值
        staticVar = 20;
    }

    // 在main方法中输出静态变量的值
    public static void main(String[] args) {
        // 输出静态变量的值，此时为20，因为静态代码块在初始化阶段执行了赋值操作
        System.out.println("staticVar = " + staticVar);
    }
}

六、总结

Java类加载的过程包括加载、验证、准备、解析和初始化五个阶段。每个阶段都有其特定的任务和职责，共同确保了类的正确加载和初始化。加载阶段负责定位和读取类的二进制字节流；验证阶段确保加载的类符合Java虚拟机规范的约束；准备阶段为类的静态变量分配内存并设置默认初始值；解析阶段将常量池中的符号引用替换为直接引用；初始化阶段执行类的初始化代码，包括静态变量的赋值和静态块的执行。了解这些阶段对于调试Java程序、优化性能以及确保程序的安全性都至关重要。

原文地址：https://blog.csdn.net/qq_40921573/article/details/142903843

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