大牛带你学会java类加载机制，不要错过，值得收藏！

很多人对java类加载机制都是非常抗拒的，因为这个太难理解了，但是我们作为一名优秀的java工程师，还是要把java类加载机制研究和学习明白的，因为这对于我们在以后的工作中有很大的帮助，因为它在java中太重要了。这篇文章，你必须得看，这对你太重要了。

学习目录：

Java类加载机制的定义

类加载的周期和时机

触发类加载的条件

类加载的具体过程

一、Java类加载机制的定义

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。在Java语言里，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的，这种策略虽然会令类加载时稍微增加一些性能开销，但是会为Java应用程序提供高度的灵活性，Java里天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点来实现的。

二、类加载的周期和时机

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)共 7 个阶段，如图下图所示：

注意：验证、准备、解析3个部分统称为连接。

其中，加载、验证、准备、初始化、卸载这5个阶段的顺序是确定的，而解析阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化完成后在开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定。其中加载、验证、准备、解析及初始化是属于类加载机制中的步骤。注意此处的加载不等同于类加载。

Java 虚拟机规范并没有强制规定加载(Loading)的时机。但严格规定有且只有在以下 5 种情况时如果类没有初始化，则需要先触发其初始化(Initialization)。初始化之前，自然会进行加载和连接。

以下五种场景的行为称为对一个类主动引用，除了主动引用之外，所有引用类的方式都不会触发类的初始化，称为被动引用。

1.遇到 new(实例化对象)、getstatic(读取除常量外静态字段)、putstatic(设置读取除常量外静态字段) 或 invokestatic(调用类的静态方法) 这 4 条字节码指令时，所在的类需要初始化。

2.使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时。

3.初始化一个类时，如果其父类没有初始化，则需先初始化其父类(接口除外，只有使用到父接口的时候才会初始化)。

4.虚拟机启动时会先初始化用户指定的执行主类(包含 main 方法的类)。

5.使用 JDK1.7 动态语言支持时，
java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后解析的结果为 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄时，则这个方法句柄对应的类需要初始化。

三、触发类加载的条件

什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段:加载。Java虚拟机规范中并没有进行强制约束,这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段,虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”，而加载、验证、准备自然需要在此之前开始。五种情况如下：
1.遇到new,getstatic,putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发初始化。生成这4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的时候(被final修饰，已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)，以及调用一个类的静态方法的时候。

2.当调用Java API中的某些反射方法时, 比如类Class中的方法或者java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候, 如果类没有进行过初始化 , 则需要先触发其初始化。

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，则需要先出发父类的初始化。

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的动态语言支持时，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，则需要先出发初始化。

对于这五种会触发类进行初始化的场景, 虚拟机规范中使用了一个很强烈的限定语:“有且只有 '', 这5种场景中的行为称为对一个类进行主动引用 。 除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化, 称为被动引用。

四、类加载机制的具体过程

加载是类加载过程的一个阶段，这两个概念一定不要混淆。在加载阶段, 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。

（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） 将类的class文件读入内存，并为之创建一个java.lang.Class对象，也就是说当程序中使用任何类时，系统都会为之建立一个java.lang.Class对象, 作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

通过使用不同的类加载器，可以从不同来源加载类的二进制数据，通常有如下几种来源：

（1）从本地文件系统加载class文件；

（2）从一个ZIP、 JAR、 CAB或者其他某种归档文件中提取Java class文件，JDBC编程时使用到的数据库驱动就是放在JAR文件中，JVM可以直接从JAR包中加载class文件;

（3）通过网络加载class文件，这种场景最典型的应用就是 Applet;

把一个java源文件动态编译、并执行加载运行时计算生成 这种场景使用得最多的就是动态代理技术, 在 java.lang.reflect.Proxy中 , 就是用了 
ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流。

类的连接

当类被加载后，系统为之生成一个对应的Class对象，接着会进入连接阶段，连接阶段将会负责把类的二进制文件合并到JRE中。类连接分为如下三个阶段：

验证：验证阶段用于检验被加载的类是否有正确的内部结构，并和其他类协调一致;

准备：准备阶段则负责为类的静态属性分配内存，并设置默认初始值;

解析：将类的二进制数据中的符号引用替换成直接引用(符号引用是用一组符号描述所引用的目标;直接引用是指向目标的指针)

验证

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, 井且不会危害虚拟机自身的安全。

Java语言本身是相对安全的语言，但前面已经说过, Class文件并不一定要求用 Java源码编译而来, 可以使用任何途径, 包括用十六进制编译器直接编写来产生 Class 文件。在字节码的语言层面上, 上述 Java代码无法做到的事情都是可以实现的, 至少语义上是可以表达出来的。虚拟机如果不检査输入的字节流,对其完全信任的话, 很可能会因为载入了有害的字节流而导致系统崩溃 , 所以验证是虚拟机对自身保护的一项重要工作。从整体上看，验证阶段会完成下面四个阶段的检验过程: 文件格式验证、 元数据验证、 字节码验证、符号引用验证。

1、文件格式验证

第一阶段要验证字节流是否符合 Class文件格式的规范, 井且能被当前版本的虚拟机处理。这一阶段可能包括下面这些验证点：

（1）是否以魔数 0xCAFEBABE开头

（2）主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内 。

（3）常量池的常量中是否有不被支持的常量类型(检査常量tag 标志)。

（4）指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合装型的常量 。

（5）CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合 UTF8编码的数据

（6）Class 文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息

实际上第一阶段的验证点还远不止这些, 上面这些只是从 HotSpot虚拟机源码中摘抄的一小部分而已。只有通过了这个阶段的验证之后, 字节流才会进入内存的方法区中进行存储, 所以后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。

2、元数据验证

第二阶段是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,这个阶段可能包括的验证点如下:

（1）这个类是否有父类(除了 java.lang.0bject之外,所有的类都应当有父类)

（2）这个类的父类是否继承了不允许被继承的类(被finaI修饰的类)

（3）如果这个类不是抽象类, 是否实現了其父类或接口之中要求实现的所有方法

（4）类中的字段、 方法是否与父类产生了矛盾(例如覆盖了父类的final字段, 或者出現不符合规则的方法重载, 例如方法参数都一致, 但返回值类型却不同等)

第二阶段的验证点同样远不止这些，这一阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义检验, 保证不存在不符合 Java语言规范的元数据信息。

3、字节码验证

第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段, 主要目的是通过数据流和控制流的分析，确定语义是合法的。符号逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这阶段将对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为，例如：

（1）保证任意时刻操作数栈的数据装型与指令代码序列都能配合工作, 例如不会出现类似这样的情况:在操作栈中放置了一个 int类型的数据, 使用时却按long类型来加载入本地变量表中。

（2）保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。

（3）保证方法体中的类型转换是有效的, 例如可以把一个子类对象赋值给父类数据装型，这是安全的,但是把父类对象意赋值给子类数据类型,甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、 完全不相干的一个数据类型, 则是危险和不合法的。

（4）即使一个方法体通过了字节码验证, 也不能说明其一定就是安全的。

4、符号引用验证

最后一个阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候 , 这个转化动作将在连接的第三个阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外(常量池中的各种符号引用) 的信息进行匹配性的校验, 通常需要校验以下内容:

（1）符号引用中通过字将串描述的全限定名是否能找到对应的类

（2）在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段 。

（3）符号引用中的类、字段和方法的访问性(private、 protected、 public、 default)是否可被当前类访问

符号引用验证的目的是确保解析动作能正常执行, 如果无法通过符号引用验证, 将会抛出一个 
java.lang.IncompatibleClassChangError异常的子类, 如 
java.lang.IllegalAccessError、 
java.lang.NoSuchFieldError、
java.lang.NoSuchMethodError等。对于虚拟机的装加载机制来说 ,验证阶段是一个非常重要的、 但不一定是必要的阶段(因为对程序没有影响)。如果所运行的全部代码(包括自己编写的以及第三方包中的代码)都已经被反复使用和验证过 , 那么在实施阶段就可以考虑使用一Xverify;none 参数来关闭大部分的验证措施, 以缩短虚拟机类加载的时间。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配 。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下, 首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量(被static修饰的变量)，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 Java 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。

解析

解析阶段主要是虚拟机将常量池中的符号引用转化为直接引用的过程。什么是符号应用和直接引用呢?

（1）符号引用(Symlxiuc References):符号引用以一组符号来描述所引用的日标,符号可以是任何形式的字面量, 只要使用时能无歧义地定位到目标即可, 特号引用与配組机实现的内存1布.局11i-美 , 引用的日标并不一定已组加裁到内存中

（2）直接引用(Direct References):直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的 , 同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同. 如果有了直接引用, 那引用的目标必定已经在内存中存在.

解新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,分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、 CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、
CONSTANT_IntrfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、
CONSTANT_MethodHandle_info和
CONSTANT_InvokeDynamic_info7种常量类型。

小结：

好了，到以上就是类加载机制的整个过程，但是还有一个重要的概念，那就是类加载器。不过呢，下一篇我会给大家整理一份类加载机制的面试题。全是大厂的噢！

最后，后续也会给大家更新类加载器，不止于此，只要你关注的有关java的内容，我都会持续更新。