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我們寫的類，在編譯完成后，究竟是怎么加載進虛擬機的?虛擬機又做了什么神奇操作?本文可以帶著讀者初探類加載機制。上來先放類加載各個階段的主要任務，用于給讀者一個大概的印象體驗，現(xiàn)在記不住也沒有什么關系。
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現(xiàn)在只需要記住三個名詞，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，我們使用幾個例子來加深對程序執(zhí)行順序的理解。
1. 裝載
我覺得這里使用裝載更好一點，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“裝”字，僅僅是把貨物從一個地方搬到另外一個地方而已，而這里的加載，卻包含搬運貨物、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)。最后會在堆中創(chuàng)建一個Class對象，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)有不同的實現(xiàn)，這部分詳細內(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)放進方法區(qū)——>Class對象放進堆中
最后我們訪問此Class對象，即可獲取該類在方法區(qū)中的結(jié)構(gòu)。
2. 連接
連接又包括驗證、準備、初始化
2.1 驗證
驗證被加載類的正確性與安全性，看class文件是否正確，是否對會對虛擬機造成安全問題等，主要去驗證文件格式、元數(shù)據(jù)、字節(jié)碼與符合引用。
2.1.1 驗證文件格式
2.1.1.1 驗證文件類型
每個文件都有特定的類型，類型標識字段存在于文件的開頭中，采用16進制表示，類型標識字段稱為魔數(shù)，class文件的魔數(shù)為0xCAFEBABY，關于此魔數(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 驗證主次版本號
檢查看主次版本號是否在當前jvm處理的范圍之內(nèi)，主次版本號的存放位置緊隨在魔數(shù)之后。
2.1.1.3 驗證常量池
常量池是class文件中最為復雜的一部分，對常量池的驗證主要是驗證常量池中是否有不支持的類型。
例如，有以下簡答的代碼：
- 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：
以上標紅處，就是class文件中存儲常量池的地方。
2.1.2 驗證元數(shù)據(jù)
主要是對字節(jié)碼描述的信息進行語義分析，以保證其描述的信息符合java語言規(guī)范的要求，比如說驗證這個類是不是有父類，類中的字段方法是不是和父類沖突等等。
2.1.3 驗證字節(jié)碼
這是整個驗證過程最復雜的階段，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 驗證符號引用
它是驗證的最后一個階段，發(fā)生在虛擬機將符號引用轉(zhuǎn)化為直接引用的時候。主要是對類自身以外的信息進行校驗。目的是確保解析動作能夠完成。
對整個類加載機制而言，驗證階段是一個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證，畢竟驗證需要花費一定的的時間，可以使用-Xverfity:none來關閉大部分的驗證。
2.2 準備
在這個階段中，主要是為類變量(靜態(tài)變量)分配內(nèi)存以及初始化默認值，因為靜態(tài)變量全局只有一份，是跟著類走的，因此分配內(nèi)存其實是在方法區(qū)上分配。
這里有3個注意點：
(1)在準備階段，虛擬機只為靜態(tài)變量分配內(nèi)存，實例變量要等到初始化階段才開始分配內(nèi)存。這個時候還沒有實例化該類，連對象都沒有，因此這個時候還不存在實例變量。
(2)為靜態(tài)變量初始化默認值，注意，是初始化對應數(shù)據(jù)類型的默認值，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，在準備階段完成之后，a的值只會被初始化為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，而不是默認值。
2.3 解析
解析階段，主要是將class文件中常量池中的符號引用轉(zhuǎn)化為直接引用。
符號引用的含義：
可以直接理解為是一個字符串，用這個字符串來表示一個目標。就像博主的名字是SunAlwaysOnline，這個SunAlwaysOnline字符串就是一個符號引用，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：
直接引用是一個指向目標的指針，能夠通過直接引用定位到目標。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對象實例。
將符號引用轉(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，就是虛擬機執(zhí)行類構(gòu)造器 ()方法的過程， ()方法是由編譯器自動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€線程同時執(zhí)行某個類的 ()方法，虛擬機此時會對該方法進行加鎖，保證只有一個線程能執(zhí)行。
到了這個階段，類變量與類成員變量才會被賦予用戶自定義的值。
當然，一個類并不是被初始化多次，只有當對類的首次主動使用的時候才會導致類的初始化。主動使用包含以下幾種方式：
- 使用new語句創(chuàng)建類的對象訪問類靜態(tài)變量，或者對該靜態(tài)變量賦值調(diào)用類的靜態(tài)方法通過反射方式獲取對象實例有public static void main(String[] args)方法的類會首先被初始化初始化一個類時，如果父類還沒有被初始化，則首先會初始化父類，再初始化該類。
被動使用會發(fā)生呢?
- 當訪問一個靜態(tài)變量時時，只有真正聲明這個靜態(tài)變量的類才會被初始化。例如：通過子類引用父類的靜態(tài)變量，不會導致子類初始化。引用常量不會觸發(fā)此類的初始化(常量在編譯階段就內(nèi)嵌進字節(jié)碼或存入調(diào)用類的常量池中)聲明并創(chuàng)建數(shù)組時，不會觸發(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，這屬于主動使用，父類先于子類初始化，因此會得到以下的輸出：
這里可以進行總結(jié)，程序執(zhí)行的順序為：
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)代碼塊會對靜態(tài)變量進行賦值，因此調(diào)用靜態(tài)屬性，在此之前虛擬機會調(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，因此這里屬于被動使用。只會執(zhí)行靜態(tài)屬性真正存在的那個類的初始化，即只會初始化父類。因此，輸出：
(4)Main方法中聲明并創(chuàng)建一個子類類型的數(shù)組
- public class Main {
- public static void main(String[] args) {
- Son[] sons=new Son[10];
- }
- }
顯然，這屬于被動使用，不會初始化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)在聲明前使用一個靜態(tài)變量
- public class Main {
- static {
- c = 1;
- }
- public static int c;
- }
這樣的代碼，是可以運行的，小朋友，你是不是有大大的疑問?但容我自仔細分析來。
首先，在準備階段，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此時已經(jīng)存在，也有了一個默認值0，此時可以修改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，此時在內(nèi)存中是有這個c的，那為什么不能讀取c?
本來在正常的情況下，要想使用一個變量，變量首先需要聲明出來。當然，java做出了一種特許，允許在使用前不先聲明，但必須要滿足幾個條件，其中有一個條件是該變量只能出現(xiàn)在賦值表達式的左邊，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)。當然如果這里使用全限定名，也就是輸出Main.c時，則可以正常運行。
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報錯非法的前向引用問題
Java編譯時提示非法向前引用
Illegal forward Reference java issue
關于加載使用到的類加載器，雙親委派機制，如何自定義類加載器，可能需要另開篇幅。
新聞標題：類的奇幻漂流-類加載機制探秘
標題鏈接：http://www.5511xx.com/article/dphpddh.html
