類加載機(jī)制是什么？

在 Java 中，類加載機(jī)制是 Java 虛擬機(jī)（JVM）將 .class 文件加載到內(nèi)存并轉(zhuǎn)化為可以運(yùn)行的 Class 對象的過程。簡單來說，類加載機(jī)制是讓“代碼變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)”的第一步！

你可能會(huì)問，為什么需要類加載機(jī)制？ 因?yàn)?Java 是一門 動(dòng)態(tài)語言，類可以在運(yùn)行時(shí)加載、鏈接和初始化，這種靈活性讓 Java 能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺運(yùn)行、高效的內(nèi)存管理和模塊化架構(gòu)。

類加載的三個(gè)階段

根據(jù)《Java 虛擬機(jī)規(guī)范》，類的生命周期包括以下三個(gè)主要階段：加載、鏈接 和 初始化。

而其中鏈接又分為三個(gè)子階段：驗(yàn)證（Verification）、準(zhǔn)備（Preparation）、解析（Resolution）。

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我們逐一拆解這些階段的工作原理和流程。

加載（Loading）

Chaya：類加載階段作用是什么？非要加載嗎？

主要是使用 "類加載器" 將本地或者遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)中的字節(jié)碼文件，通過讀字節(jié)流的方式加載到 Java 虛擬機(jī)內(nèi)存中。在加載階段中 Java 虛擬機(jī)主要完成以下三件事情:

• ① 通過一個(gè)類的全限定名稱來獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流。
• ② 將這個(gè)字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• ③ 在內(nèi)存中生成一個(gè)代表這個(gè)類的 java.lang.Class 對象，作為方法區(qū)中這個(gè)類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口。

加載是類加載的第一步，JVM 需要完成以下任務(wù)：

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1. 讀取 Class 文件：通過類的全限定名找到對應(yīng)的 .class 文件。
2. 轉(zhuǎn)換為 JVM 可識別的結(jié)構(gòu)：將 Class 文件的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 JVM 的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
3. 創(chuàng)建 Class 對象：在內(nèi)存中創(chuàng)建 java.lang.Class 對象，作為該類的入口。

示例。

Class<?> clazz = Class.forName("com.example.MyClass");

這段代碼會(huì)觸發(fā) MyClass 的加載，將其 .class 文件讀取到內(nèi)存中，并生成 Class 對象。

鏈接（Linking）

鏈接 是將 Class 文件中的符號引用解析為直接引用的過程，分為以下三個(gè)子階段：

1. 驗(yàn)證（Verification）確保 Class 文件的字節(jié)碼格式和內(nèi)容符合 JVM 的規(guī)范。

驗(yàn)證文件格式：Class 文件是否以 0xCAFEBABE 開頭。

驗(yàn)證字節(jié)碼：指令是否符合 JVM 規(guī)范，數(shù)據(jù)類型是否匹配。

2. 準(zhǔn)備（Preparation）為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并設(shè)置默認(rèn)值。

例如：static int a = 10; 在準(zhǔn)備階段，a 的初始值是 0。

3. 解析（Resolution）將符號引用替換為內(nèi)存地址的直接引用。

符號引用：java.lang.String

直接引用：指向 String 類在內(nèi)存中的地址。

驗(yàn)證階段 (Verification)

驗(yàn)證階段的主要目的是對字節(jié)碼字節(jié)流進(jìn)行校驗(yàn)，判斷其內(nèi)容是否符合當(dāng)前虛擬機(jī)的規(guī)范，以確保被加載的代碼運(yùn)行后不會(huì)對虛擬機(jī)造成損害。

大多數(shù)虛擬機(jī)大致都會(huì)對 文件格式、元數(shù)據(jù)、字節(jié)碼、符號引用 幾項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)。

文件格式驗(yàn)證

文件格式驗(yàn)證主要是對 字節(jié)流格式 進(jìn)行校驗(yàn)，判斷其是否符合字節(jié)碼文件格式規(guī)范，并且還要判斷其是否可以運(yùn)行在當(dāng)前版本的虛擬機(jī)中。比如:

文件格式驗(yàn)證的主要目的其實(shí)就是為了保證加載的字節(jié)碼可以被正確地解析并存儲在方法區(qū)內(nèi)。

元數(shù)據(jù)驗(yàn)證

元數(shù)據(jù)驗(yàn)證主要是對 字節(jié)碼 中的 元數(shù)據(jù)信息 進(jìn)行語法校驗(yàn)，避免存在不符合 Java 語法規(guī)范的元數(shù)據(jù)信息。比如:

字節(jié)碼驗(yàn)證

字節(jié)碼驗(yàn)證主要是對 數(shù)據(jù)流 和 控制流 進(jìn)行分析，以確保其語法合規(guī)且符合邏輯。

符號引用驗(yàn)證

符號引用驗(yàn)證主要對 字節(jié)碼常量池 中 常量 的各種 符號引用 進(jìn)行校驗(yàn)，確保當(dāng)前類引用到的其它類或者方法是真實(shí)存在且有權(quán)限訪問的。如果符號引用中關(guān)聯(lián)的類無法在系統(tǒng)中查找到，就會(huì)拋出 NoClassDefFoundError 錯(cuò)誤，如果符號引用中關(guān)聯(lián)的方法無法找到，則會(huì)拋出 NoSuchMethodError 錯(cuò)誤。

準(zhǔn)備階段 (Preparation)

準(zhǔn)備階段主要是用于對類或接口中的 "靜態(tài)變量" 分配內(nèi)存空間，以及對變量設(shè)置默認(rèn)的初始值。

準(zhǔn)備階段和初始化階段，這兩個(gè)階段都是用于對靜態(tài)變量設(shè)置值，概念上容易混淆，所以這里需要特別說明一下，準(zhǔn)備階段只是對靜態(tài)變量設(shè)置初始默認(rèn)值，而真正賦值操作是在初始化階段完成的。

例如，下面示例代碼在執(zhí)行時(shí):

public class A {
    static int test = 999;
}

• 準(zhǔn)備階段會(huì)對變量 test 設(shè)置默認(rèn)值 0；
• 初始化階段會(huì)對變量 test 賦予初始值 999；

解析階段 (Resolution)

解析階段主要是用于將 字節(jié)碼常量池 中的 符號引用 替換為 直接引用 的過程。

• 符號引用 (Symbolic References): 符號引用就是用于描述引用目標(biāo)的一組符號，它可以是任何形式的字面量 (只要符合 Java 虛擬機(jī)規(guī)范)。
• 直接引用 (Direct References): 直接引用可以是直接指向目標(biāo)的指針、相對偏移量，或者是一個(gè)能間接定位到目標(biāo)的句柄。

初始化（Initialization）

1. 初始化階段是類加載的最后一步，也是最重要的階段。此階段會(huì)執(zhí)行靜態(tài)變量的賦值操作和靜態(tài)代碼塊。
   初始化的觸發(fā)條件：
   類的初始化順序

先初始化父類。

再初始化當(dāng)前類的靜態(tài)變量和靜態(tài)代碼塊。

使用 new 關(guān)鍵字實(shí)例化對象時(shí)。

訪問類的靜態(tài)字段或靜態(tài)方法時(shí)。

使用反射調(diào)用類時(shí)。

唐二婷：初始化階段有啥用？可以談戀愛嗎？

初始化階段主要是執(zhí)行 類構(gòu)造器 方法 <clinit>()，該方法不需要定義，代碼在經(jīng)過 Javac 編譯器編譯時(shí)，會(huì)自動(dòng)收集類中的所有 類變量 的賦值動(dòng)作和 靜態(tài)代碼塊 中的語句，對這些代碼進(jìn)行合并，形成類構(gòu)造器 <clinit>() 。

在執(zhí)行類構(gòu)造器 <clinit>() 時(shí)，會(huì)對類中的 類變量 和 靜態(tài)代碼塊 進(jìn)行初始化賦值操作，如果該類存在父類，則會(huì)先執(zhí)行父類中的類構(gòu)造器 <clinit>()，對父類中的 類變量 和 靜態(tài)代碼塊 進(jìn)行初始化。

示例如下。

public class FatherCLass {

    public static int number;

    static {
        System.out.println(number);
        System.out.println("父類 static{} 初始化");
    }

}

子類:

public class SubInitialization extends FatherCLass {

    static{
        // number 屬于父類的屬性，這里要能執(zhí)行成功，說明父類已經(jīng)加載
        number = 100;
        System.out.println("子類 static{} 初始化");
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(number);
    }

}

執(zhí)行時(shí)輸出如下:

0
父類 static{} 初始化
子類 static{} 初始化
100