簡介

Java虛擬機器把描述類的資料從Class檔案載入到記憶體，並對資料進行校驗、轉換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機器直接使用的Java型別，這就是虛擬機器的載入機制。

類的生命週期

類從被載入到虛擬機器記憶體中開始，到卸載出記憶體為止，它的整個生命週期包括了：載入（Loading）、驗證（Verification）、準備（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（using）、和解除安裝（Unloading）七個階段。

其中驗證、準備和解析三個部分統稱為連線（Linking）。

載入、驗證、準備、初始化和解除安裝這五個階段的順序是確定的，類的載入過程必須按照這個順序來按部就班地開始，而解析階段則不一定，它在某些情況下可以在初始化階段後再開始。類的生命週期的每一個階段通常都是互相交叉混合式進行的，通常會在一個階段執行的過程中呼叫或啟用另外一個階段。

類載入的時機

主動引用

一個類被主動引用之後會觸發初始化過程（載入，驗證，準備需再此之前開始）

• 1）遇到new、get static、put static或invoke static這4條位元組碼指令時，如果類沒有進行過初始化，則需要先觸發其初始化。生成這4條指令最常見的Java程式碼場景是：使用new關鍵字例項化物件時、讀取或者設定一個類的靜態欄位（被final修飾、已在編譯器把結果放入常量池的靜態欄位除外）時、以及呼叫一個類的靜態方法的時候。

• 2）使用java.lang.reflect包的方法對類進行反射呼叫的時候，如果類沒有進行過初始化，則需要先觸發其初始化。

• 3）當初始化一個類的時候，如果發現其父類還沒有進行過初始化，則需要觸發父類的初始化。

• 4）當虛擬機器啟動時，使用者需要指定一個執行的主類（包含main()方法的類），虛擬機器會先初始化這個類。

• 5）當使用jdk7+的動態語言支援時，如果java.lang.invoke.MethodHandle例項最後的解析結果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法控制代碼，並且這個方法控制代碼所對應的類沒有進行過初始化，則需要先觸發器 初始化。

被動引用

一個類如果是被動引用的話，該類不會觸發初始化過程

• 1）通過子類引用父類的靜態欄位，不會導致子類初始化。對於靜態欄位，只有直接定義該欄位的類才會被初始化，因此當我們通過子類來引用父類中定義的靜態欄位時，只會觸發父類的初始化，而不會觸發子類的初始化。

• 2）通過陣列定義來引用類，不會觸發此類的初始化。

• 3）常量在編譯階段會存入呼叫類的常量池中，本質上沒有直接引用到定義常量的類，因此不會觸發定義常量的類的初始化。

類載入過程

1、載入

在載入階段，虛擬機器需要完成以下三件事情：

• 1）通過一個類的全限定名稱來獲取定義此類的二進位制位元組流。

• 2）將這個位元組流所代表的靜態儲存結構轉化為方法區的執行時資料結構。

• 3）在java堆中生成一個代表這個類的java.lang.Class物件，作為方法區這些資料的訪問入口。
  相對於類載入過程的其他階段，載入階段是開發期相對來說可控性比較強，該階段既可以使用系統提供的類載入器完成，也可以由使用者自定義的類載入器來完成，開發人員可以通過定義自己的類載入器去控制位元組流的獲取方式。

2、驗證

驗證的目的是為了確保Class檔案中的位元組流包含的資訊符合當前虛擬機器的要求，而且不會危害虛擬機器自身的安全。不同的虛擬機器對類驗證的實現可能會有所不同，但大致都會完成以下四個階段的驗證：檔案格式的驗證、元資料的驗證、位元組碼驗證和符號引用驗證。

• 1）檔案格式的驗證：驗證位元組流是否符合Class檔案格式的規範，並且能被當前版本的虛擬機器處理，該驗證的主要目的是保證輸入的位元組流能正確地解析並存儲
  於方法區之內。經過該階段的驗證後，位元組流才會進入記憶體的方法區中進行儲存，後面的三個驗證都是基於方法區的儲存結構進行的。

• 2）元資料驗證：對類的元資料資訊進行語義校驗（其實就是對類中的各資料型別進行語法校驗），保證不存在不符合Java語法規範的元資料資訊。

• 3）位元組碼驗證：該階段驗證的主要工作是進行資料流和控制流分析，對類的方法體進行校驗分析，以保證被校驗的類的方法在執行時不會做出危害虛擬機器安全的行為。

• 4）符號引用驗證：這是最後一個階段的驗證，它發生在虛擬機器將符號引用轉化為直接引用的時候（解析階段中發生該轉化，後面會有講解），主要是對類自身以外的資訊（常量池中的各種符號引用）進行匹配性的校驗。

3、準備

準備階段是正式為類變數分配記憶體並設定類變數初始值的階段，這些記憶體都將在方法區中進行分配。

• 1）這時候進行記憶體分配的僅包括類變數（static），而不包括例項變數，例項變數會在物件例項化時隨著物件一塊分配在Java堆中。

• 2）這裡所設定的初始值通常情況下是資料型別預設的零值（如0、0L、、false等），而不是被在Java程式碼中被顯式地賦予的值。

4、解析

解析階段是虛擬機器將常量池內的符號引用替換為直接引用的過程。

符號引用（Symbolic Reference）：

符號引用以一組符號來描述所引用的目標，符號引用可以是任何形式的字面量，符號引用與虛擬機器實現的記憶體佈局無關，引用的目標並不一定已經在記憶體中。

直接引用（Direct Reference）：

直接引用可以是直接指向目標的指標、相對偏移量或是一個能間接定位到目標的控制代碼。直接引用是與虛擬機器實現的記憶體佈局相關的，同一個符號引用在不同的虛擬機器例項上翻譯出來的直接引用一般都不相同，如果有了直接引用，那引用的目標必定已經在記憶體中存在。

• 1）類或介面的解析：判斷所要轉化成的直接引用是對陣列型別，還是普通的物件型別的引用，從而進行不同的解析。

• 2）欄位解析：對欄位進行解析時，會先在本類中查詢是否包含有簡單名稱和欄位描述符都與目標相匹配的欄位，如果有，則查詢結束；如果沒有，則會按照繼承關係從上往下遞迴搜尋該類所實現的各個介面和它們的父介面，還沒有，則按照繼承關係從上往下遞迴搜尋其父類，直至查詢結束。

• 3）類方法解析：對類方法的解析與對欄位解析的搜尋步驟差不多，只是多了判斷該方法所處的是類還是介面的步驟，而且對類方法的匹配搜尋，是先搜尋父類，再搜尋介面。

• 4）介面方法解析：與類方法解析步驟類似，只是介面不會有父類，因此，只遞歸向上搜索父介面就行了。

5、初始化

類初始化階段是類載入過程的最後一步，前面的類載入過程中，除了載入（Loading）階段使用者應用程式可以通過自定義類載入器參與之外，其餘動作完全由虛擬機器主導和控制。到了初始化階段，才真正開始執行類中定義的Java程式程式碼。

初始化階段是執行類構造器<clinit>方法的過程。

• 1）<clinit>方法是由編譯器自動收集類中的所有類變數的賦值動作和靜態語句塊（static{}塊）中的語句合併產生的，編譯器收集的順序由語句在原始檔中出現的順序所決定。

• 2）<clinit>方法與類的建構函式不同，它不需要顯式地呼叫父類構造器，虛擬機器會保證在子類的<clinit>方法執行之前，父類的<clinit>方法已經執行完畢，因此在虛擬機器中第一個執行的<clinit>方法的類一定是java.lang.Object。

• 3）由於父類的<clinit>方法先執行，也就意味著父類中定義的靜態語句塊要優先於子類的變數賦值操作。

• 4）<clinit>方法對於類或者介面來說並不是必需的，如果一個類中沒有靜態語句塊也沒有對變數的賦值操作，那麼編譯器可以不為這個類生成<clinit>方法。

• 5）介面中可能會有變數賦值操作，因此介面也會生成<clinit>方法。但是介面與類不同，執行介面的<clinit>方法不需要先執行父介面的<clinit>方法。只有當父介面中定義的變數被使用時，父接口才會被初始化。另外，介面的實現類在初始化時也不會執行介面的<clinit>方法。

• 6）虛擬機器會保證一個類的<clinit>方法在多執行緒環境中被正確地加鎖和同步。如果有多個執行緒去同時初始化一個類，那麼只會有一個執行緒去執行這個類的<clinit>方法，其它執行緒都需要阻塞等待，直到活動執行緒執行<clinit>方法完畢。如果在一個類的<clinit>方法中有耗時很長的操作，那麼就可能造成多個程序阻塞。