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 我們寫的類，在編譯完成后，究竟是怎么加載進(jìn)虛擬機(jī)的?虛擬機(jī)又做了什么神奇操作?本文可以帶著讀者初探類加載機(jī)制。上來先放類加載各個(gè)階段的主要任務(wù)，用于給讀者一個(gè)大概的印象體驗(yàn)，現(xiàn)在記不住也沒有什么關(guān)系。

現(xiàn)在只需要記住三個(gè)名詞，裝載——>連接——>初始化，記住了嗎，我們要開始奇幻漂流了!

在文章的最后，我們使用幾個(gè)例子來加深對(duì)程序執(zhí)行順序的理解。

1. 裝載

我覺得這里使用裝載更好一點(diǎn)，第一，可以避免與類加載過程中的“加載”混淆，第二，裝載體現(xiàn)的就是一個(gè)“裝”字，僅僅是把貨物從一個(gè)地方搬到另外一個(gè)地方而已，而這里的加載，卻包含搬運(yùn)貨物、處理貨物等一系列流程。

裝載階段，將.class字節(jié)碼文件的二進(jìn)制數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存中，然后將這些數(shù)據(jù)翻譯成類的元數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)包括方法代碼，變量名，方法名，訪問權(quán)限與返回值，接著將元數(shù)據(jù)存入方法區(qū)。最后會(huì)在堆中創(chuàng)建一個(gè)Class對(duì)象，用來封裝類在方法區(qū)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此我們可以通過訪問此Class對(duì)象，來間接訪問方法區(qū)中的元數(shù)據(jù)。

在Java7與Java8之后，方法區(qū)有不同的實(shí)現(xiàn)，這部分詳細(xì)內(nèi)容可以參考我的另外一篇博客靈性一問——為什么用元空間替換永久代?

總結(jié)來講，裝載的子流程為：

.class文件讀入內(nèi)存——>元數(shù)據(jù)放進(jìn)方法區(qū)——>Class對(duì)象放進(jìn)堆中

最后我們?cè)L問此Class對(duì)象，即可獲取該類在方法區(qū)中的結(jié)構(gòu)。

2. 連接

連接又包括驗(yàn)證、準(zhǔn)備、初始化

2.1 驗(yàn)證

驗(yàn)證被加載類的正確性與安全性，看class文件是否正確，是否對(duì)會(huì)對(duì)虛擬機(jī)造成安全問題等，主要去驗(yàn)證文件格式、元數(shù)據(jù)、字節(jié)碼與符合引用。

2.1.1 驗(yàn)證文件格式

2.1.1.1 驗(yàn)證文件類型

每個(gè)文件都有特定的類型，類型標(biāo)識(shí)字段存在于文件的開頭中，采用16進(jìn)制表示，類型標(biāo)識(shí)字段稱為魔數(shù)，class文件的魔數(shù)為0xCAFEBABY，關(guān)于此魔數(shù)的由來也很有意思，可以看這篇文章class文件魔數(shù)CAFEBABE的由來。

2.1.1.2 驗(yàn)證主次版本號(hào)

檢查看主次版本號(hào)是否在當(dāng)前jvm處理的范圍之內(nèi)，主次版本號(hào)的存放位置緊隨在魔數(shù)之后。

2.1.1.3 驗(yàn)證常量池

常量池是class文件中最為復(fù)雜的一部分，對(duì)常量池的驗(yàn)證主要是驗(yàn)證常量池中是否有不支持的類型。

例如，有以下簡(jiǎn)答的代碼：

public class Main { 
    public static void main(String[] args) { 
        int a=1; 
        int b=2; 
        int c=a+b; 
    } 
} 

 在該類的路徑下，使用javac Main.java編譯，然后使用javap -v Main可以輸出以下信息：

以上標(biāo)紅處，就是class文件中存儲(chǔ)常量池的地方。

2.1.2 驗(yàn)證元數(shù)據(jù)

主要是對(duì)字節(jié)碼描述的信息進(jìn)行語義分析，以保證其描述的信息符合java語言規(guī)范的要求，比如說驗(yàn)證這個(gè)類是不是有父類，類中的字段方法是不是和父類沖突等等。

2.1.3 驗(yàn)證字節(jié)碼

這是整個(gè)驗(yàn)證過程最復(fù)雜的階段，主要是通過數(shù)據(jù)流和控制流分析，確定程序語義是合法的、符合邏輯的。

2.1.4 驗(yàn)證符號(hào)引用

它是驗(yàn)證的最后一個(gè)階段，發(fā)生在虛擬機(jī)將符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用的時(shí)候。主要是對(duì)類自身以外的信息進(jìn)行校驗(yàn)。目的是確保解析動(dòng)作能夠完成。

對(duì)整個(gè)類加載機(jī)制而言，驗(yàn)證階段是一個(gè)很重要但是非必需的階段，如果我們的代碼能夠確保沒有問題，那么就沒有必要去驗(yàn)證，畢竟驗(yàn)證需要花費(fèi)一定的的時(shí)間，可以使用-Xverfity:none來關(guān)閉大部分的驗(yàn)證。

2.2 準(zhǔn)備

在這個(gè)階段中，主要是為類變量(靜態(tài)變量)分配內(nèi)存以及初始化默認(rèn)值，因?yàn)殪o態(tài)變量全局只有一份，是跟著類走的，因此分配內(nèi)存其實(shí)是在方法區(qū)上分配。

這里有3個(gè)注意點(diǎn)：

(1)在準(zhǔn)備階段，虛擬機(jī)只為靜態(tài)變量分配內(nèi)存，實(shí)例變量要等到初始化階段才開始分配內(nèi)存。這個(gè)時(shí)候還沒有實(shí)例化該類，連對(duì)象都沒有，因此這個(gè)時(shí)候還不存在實(shí)例變量。

(2)為靜態(tài)變量初始化默認(rèn)值，注意，是初始化對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)類型的默認(rèn)值，不是自定義的值。

例如，代碼中是這樣寫的，自定義int類型的變量a的值為1

private static int a=1; 

但是，在準(zhǔn)備階段完成之后，a的值只會(huì)被初始化為0，而不是1。

(3)被final修飾的靜態(tài)變量，如果值比較小，則在編譯后直接內(nèi)嵌到字節(jié)碼中。如果值比較大，也是在編譯后直接放入常量池中。因此，準(zhǔn)備階段結(jié)束后，final類型的靜態(tài)變量已經(jīng)有了用戶自定義的值，而不是默認(rèn)值。

2.3 解析

解析階段，主要是將class文件中常量池中的符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用。

符號(hào)引用的含義：

可以直接理解為是一個(gè)字符串，用這個(gè)字符串來表示一個(gè)目標(biāo)。就像博主的名字是SunAlwaysOnline，這個(gè)SunAlwaysOnline字符串就是一個(gè)符號(hào)引用，代表博主，但是現(xiàn)在不能通過名字直接找到我本人。

直接引用的含義：

直接引用是一個(gè)指向目標(biāo)的指針，能夠通過直接引用定位到目標(biāo)。比如

Student s=new Student(); 

我們可以通過引用變量s直接定位到新創(chuàng)建出的Student對(duì)象實(shí)例。

將符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用，就能將平淡無奇的字符串轉(zhuǎn)化為指向?qū)ο蟮闹羔槨?/p>

3. 初始化

執(zhí)行初始化，就是虛擬機(jī)執(zhí)行類構(gòu)造器()方法的過程，()方法是由編譯器自動(dòng)去搜集類中的所有類變量與靜態(tài)語句塊合并產(chǎn)生的?？赡艽嬖诙鄠€(gè)線程同時(shí)執(zhí)行某個(gè)類的()方法，虛擬機(jī)此時(shí)會(huì)對(duì)該方法進(jìn)行加鎖，保證只有一個(gè)線程能執(zhí)行。

到了這個(gè)階段，類變量與類成員變量才會(huì)被賦予用戶自定義的值。

當(dāng)然，一個(gè)類并不是被初始化多次，只有當(dāng)對(duì)類的首次主動(dòng)使用的時(shí)候才會(huì)導(dǎo)致類的初始化。主動(dòng)使用包含以下幾種方式：

• 使用new語句創(chuàng)建類的對(duì)象訪問類靜態(tài)變量，或者對(duì)該靜態(tài)變量賦值調(diào)用類的靜態(tài)方法通過反射方式獲取對(duì)象實(shí)例有public static void main(String[] args)方法的類會(huì)首先被初始化初始化一個(gè)類時(shí)，如果父類還沒有被初始化，則首先會(huì)初始化父類，再初始化該類。

被動(dòng)使用會(huì)發(fā)生呢?

• 當(dāng)訪問一個(gè)靜態(tài)變量時(shí)時(shí)，只有真正聲明這個(gè)靜態(tài)變量的類才會(huì)被初始化。例如：通過子類引用父類的靜態(tài)變量，不會(huì)導(dǎo)致子類初始化。引用常量不會(huì)觸發(fā)此類的初始化(常量在編譯階段就內(nèi)嵌進(jìn)字節(jié)碼或存入調(diào)用類的常量池中)聲明并創(chuàng)建數(shù)組時(shí)，不會(huì)觸發(fā)類的初始化。例如Student array=new Student[2];

4. 類的初始化順序

現(xiàn)在有以下的代碼：

class Father { 
 
    public static int fatherA = 1; 
    public static final int fatherB = 2; 
 
    static { 
        System.out.println("父類的靜態(tài)代碼塊"); 
    } 
 
    { 
        System.out.println("父類的非靜態(tài)代碼塊"); 
    } 
 
    Father() { 
        System.out.println("父類的構(gòu)造方法"); 
    } 
} 
 
class Son extends Father { 
    public static int sonA = 3; 
    public static final int sonB = 4; 
 
    static { 
        System.out.println("子類的靜態(tài)代碼塊"); 
    } 
 
    { 
        System.out.println("子類的非靜態(tài)代碼塊"); 
    } 
 
    Son() { 
        System.out.println("子類的構(gòu)造方法"); 
    } 
} 

 (1)Main方法中實(shí)例化子類：

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

 首先可以確定的是，這屬于主動(dòng)使用，父類先于子類初始化，因此會(huì)得到以下的輸出：

這里可以進(jìn)行總結(jié)，程序執(zhí)行的順序?yàn)椋?/p>

父類的靜態(tài)域->子類的靜態(tài)域->父類的非靜態(tài)域->子類的非靜態(tài)域->父類的構(gòu)造方法->子類的構(gòu)造方法

這里的靜態(tài)域包括靜態(tài)變量與靜態(tài)代碼塊，靜態(tài)變量和靜態(tài)代碼塊的執(zhí)行順序由編碼順序決定。

規(guī)律就是，靜態(tài)先于非靜態(tài)，父類先于子類，構(gòu)造方法在最后。嗯給我背三遍

(2)Mian方法中輸出子類的sonA屬性

public class Main { 
    public static void main(String[] args) { 
        System.out.println(Son.sonA); 
    } 
} 

 這里只要輸出子類的靜態(tài)屬性sonA，因此需要初始化子類，但父類還沒有被初始化，因此先初始化父類。一般而言，靜態(tài)代碼塊會(huì)對(duì)靜態(tài)變量進(jìn)行賦值，因此調(diào)用靜態(tài)屬性，在此之前虛擬機(jī)會(huì)調(diào)用靜態(tài)代碼塊。所以，輸出如下：

(3)Main方法輸出子類繼承而來的fatherA屬性

public class Main { 
    public static void main(String[] args) { 
        System.out.println(Son.fatherA); 
    } 
} 

 子類從父類繼承而來的屬性，因此這里屬于被動(dòng)使用。只會(huì)執(zhí)行靜態(tài)屬性真正存在的那個(gè)類的初始化，即只會(huì)初始化父類。因此，輸出：

(4)Main方法中聲明并創(chuàng)建一個(gè)子類類型的數(shù)組

public class Main { 
    public static void main(String[] args) { 
       Son[] sons=new Son[10]; 
    } 
} 

 顯然，這屬于被動(dòng)使用，不會(huì)初始化Son類。因此，沒有任何輸出。

(5)Main方法輸出子類被static final修飾的變量

public class Main { 
    public static void main(String[] args) { 
        System.out.println(Son.sonB); 
    } 
} 

 顯然，被static final修改的變量，也就是一個(gè)常量，在編譯器就放入類的常量池中了，不需要初始化類。因此，這里只輸出sonB的值，即為4。

(6)在聲明前使用一個(gè)靜態(tài)變量

public class Main { 
    static { 
        c = 1; 
    } 
 
    public static int c; 
} 

這樣的代碼，是可以運(yùn)行的，小朋友，你是不是有大大的疑問?但容我自仔細(xì)分析來。

首先，在準(zhǔn)備階段，為靜態(tài)變量c分配內(nèi)存，然后賦予初始值0。等到初始化階段，執(zhí)行類的靜態(tài)域，也就是執(zhí)行此處的靜態(tài)代碼塊中c=1，c此時(shí)已經(jīng)存在，也有了一個(gè)默認(rèn)值0，此時(shí)可以修改c的值。

但是，如果我僅僅在c=1后使用c的話，如：

public class Main { 
    static { 
        c = 1; 
        System.out.println(c); 
    } 
 
    public static int c; 
} 

 此時(shí)編譯沒法通過，編輯器提示Illegal forward reference，即非法前向引用，似乎只能寫入c，不能讀取c。我們之前已經(jīng)分析過了，此時(shí)在內(nèi)存中是有這個(gè)c的，那為什么不能讀取c?

本來在正常的情況下，要想使用一個(gè)變量，變量首先需要聲明出來。當(dāng)然，java做出了一種特許，允許在使用前不先聲明，但必須要滿足幾個(gè)條件，其中有一個(gè)條件是該變量只能出現(xiàn)在賦值表達(dá)式的左邊，即c=1可以，c=2可以，c+=1不可以(c+=1也就是c=c+1，違反了左值協(xié)定)。當(dāng)然如果這里使用全限定名，也就是輸出Main.c時(shí)，則可以正常運(yùn)行。

有的小伙伴可能還是有大大的疑問，不要緊，沒看懂的可以參考以下講解非法前向引用的文章

java報(bào)錯(cuò)非法的前向引用問題

Java編譯時(shí)提示非法向前引用

Illegal forward Reference java issue

關(guān)于加載使用到的類加載器，雙親委派機(jī)制，如何自定義類加載器，可能需要另開篇幅。