一文解读类的加载过程（类的生命周期）

语义检查：Java虚拟机会进行字节码的语义检查，但凡在语义上不符合规范的，虚拟机也不会给予验证通过。比如：

是否所有的类都有父类的存在（在Java里，除了object外，其他类都应该有父类）

是否一些被定义为final的方法或者类被重写或继承了

非抽象类是否实现了所有抽象方法或者接口方法

字节码验证（最复杂的一个过程）：Java虚拟机还会进行字节码验证。它试图通过对字节码流的分析，判断字节码是否可以被正确地执行。比如：

在字节码的执行过程中，是否会跳转到一条不存在的指令

函数的调用是否传递了正确类型的参数

变量的赋值是不是给了正确的数据类型等

栈映射帧（StackMapTable）就是在这个阶段，用于检测在特定的字节码处，其局部变量表和操作数栈是否有着正确的数据类型。但遗憾的是，100%准确地判断一段字节码是否可以被安全执行是无法实现的，因此，该过程只是尽可能地检查出可以预知的明显的问题。如果在这个阶段无法通过检查，虚拟机也不会正确装载这个类。但是，如果通过了这个阶段的检查，也不能说明这个类是完全没有问题的。

栈映射帧的概念，就是表示在执行某一条字节码指令之前，帧的状态，即局部变量表和操作数栈的状态，不是每条字节码前面都有栈映射帧，通常在有条件跳转或无条件跳转之后或者抛出异常之前。

环节2：链接阶段之Preparation（准备）

准备阶段，简单来说，就是为类的静态分配内存，并将其初始化为默认值

当一个类验证通过时，虚拟机就会进入准备阶段。在这个阶段，虚拟机就会为这个类分配相应的内存空间，并设置默认初始值。Java虚拟机为各类型变量默认的初始值如表所示。

类型	默认初始值
byte	0
short	0
int	0
long	0L
float	0.0f
double	0.0
char	\u0000
boolean	false
reference	null

在这里需要注意的是：java并不支持boolean类型，对于boolean类型，内部实现是int，由于int的默认值是0，故对应的，boolean的默认值就是false。 而且这里并没有对static fianl修饰的变量进行赋值，因为final修饰的变量已经在编译阶段就进行了赋默认值，而在准备阶段进行的是显式赋值

// 一般情况：static final修饰的基本数据类型、字符串类型字面量会在准备阶段赋值
private static final String str = "Hello world";
// 特殊情况：static final修饰的引用类型不会在准备阶段赋值，而是在初始化阶段赋值
private static final String str = new String("Hello world");

这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。

在这个阶段并不会像初始化阶段中那样会有初始化或者代码被执行。

环节3：链接阶段之Resolution（解析）

在准备阶段完成后，就进入了解析阶段。解析阶段（Resolution），简言之，将类、接口、字段和方法的符号引用转为直接引用。

符号引用就是一些字面量的引用，和虚拟机的内部数据结构和和内存布局无关。比较容易理解的就是在Class类文件中，通过常量池进行了大量的符号引用。但是在程序实际运行时，只有符号引用是不够的，比如当如下println()方法被调用时，系统需要明确知道该方法的位置。

System.out.println()对应的字节码：

invokevirtual #24 <java/io/PrintStream.println>

以方法为例，Java虚拟机为每个类都准备了一张方法表，将其所有的方法都列在表中，当需要调用一个类的方法的时候，只要知道这个方法在方法表中的偏移量就可以直接调用该方法。通过解析操作，符号引用就可以转变为目标方法在类中方法表中的位置，从而使得方法被成功调用。

过程三：Initialization（初始化）阶段

static与final的搭配问题

说明：使用static+ final修饰的字段的显式赋值的操作，到底是在哪个阶段进行的赋值？

情况1：在链接阶段的准备环节赋值

情况2：在初始化阶段<clinit>()中赋值

结论：在链接阶段的准备环节赋值的情况：

对于基本数据类型的字段来说，如果使用static final修饰，则显式赋值(直接赋值常量，而非调用方法通常是在链接阶段的准备环节进行

对于String来说，如果使用字面量的方式赋值，使用static final修饰的话，则显式赋值通常是在链接阶段的准备环节进行

在初始化阶段<clinit>()中赋值的情况：排除上述的在准备环节赋值的情况之外的情况。

最终结论：使用static+final修饰，且显式赋值中不涉及到方法或构造器调用的基本数据类到或String类型的显式赋值，是在链接阶段的准备环节进行。
public static final int INT_CONSTANT = 10;                                // 在链接阶段的准备环节赋值
public static final int NUM1 = new Random().nextInt(10);                  // 在初始化阶段clinit>()中赋值
public static int a = 1;                                                  // 在初始化阶段<clinit>()中赋值

public static final Integer INTEGER_CONSTANT1 = Integer.valueOf(100);     // 在初始化阶段<clinit>()中赋值
public static Integer INTEGER_CONSTANT2 = Integer.valueOf(100);           // 在初始化阶段<clinit>()中概值

public static final String s0 = "helloworld0";                            // 在链接阶段的准备环节赋值
public static final String s1 = new String("helloworld1");                // 在初始化阶段<clinit>()中赋值
public static String s2 = "hellowrold2";                                  // 在初始化阶段<clinit>()中赋值

<clinit>()的线程安全性

对于<clinit>()方法的调用，也就是类的初始化，虚拟机会在内部确保其多线程环境中的安全性。

虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。

正是因为函数<clinit>()带，因此，如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个线程阻塞，引发死锁。并且这种死锁是很难发现的，因为看起来它们并没有可用的锁信息。

如果之前的线程成功加载了类，则等在队列中的线程就没有机会再执行<clinit>()方法了。那么，当需要使用这个类时，虚拟机会直接返回给它已经准备好的信息。

主动使用vs被动使用

Java程序对类的使用分为两种：主动使用和被动使用。

JVM加载类后且在构造函数执行之前执行，在类中可定义多个，一般在代码块中对一些static变量进行赋值
静态块总是最先执行的，并且只有在创建该类的第一个实例的时候才会执行一次

主动使用

Class只有在必须要首次使用的时候才会被装载，Java虚拟机不会无条件地装载Class类型。Java虚拟机规定，一个类或接口在初次使用前，必须要进行初始化。这里指的“使用”，是指主动使用，主动使用只有下列几种情况：（即：如果出现如下的情况，则会对类进行初始化操作。而初始化操作之前的加载、验证、准备已经完成。

实例化：当创建一个类的实例时，比如使用new关键字，或者通过反射、克隆、反序列化。

/**
 * 反序列化
 */
Class Order implements Serializable {
    static {
        System.out.println("Order类的初始化");
    }
}

public void test() {
    ObjectOutputStream oos = null;
    ObjectInputStream ois = null;
    try {
        // 序列化
        oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("order.dat"));
        oos.writeObject(new Order());
        // 反序列化
        ois = new ObjectInputStream(new FileOutputStream("order.dat"));
        Order order = ois.readObject();
    }
    catch (IOException e){
        e.printStackTrace();
    }
    catch (ClassNotFoundException e){
        e.printStackTrace();
    }
    finally {
        try {
            if (oos != null) {
                oos.close();
            }
            if (ois != null) {
                ois.close();
            }
        }
        catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

静态方法：当调用类的静态方法时，即当使用了字节码invokestatic指令。

public class ActiveUse {
	@Test
    public void test() {
        User.test();
    }
}

class User {
    public static void test(){
         System.out.println("hello");
    }
}

静态字段：当使用类、接口的静态字段时（final修饰特殊考虑），比如，使用getstatic或者putstatic指令。（对应访问变量、赋值变量操作）

public class ActiveUse {
	@Test
    public void test() {
        System.out.println(User.num);
    }
}

class User {
    static {
        System.out.println("User类的初始化");
    }
    public static final int num = 1;
}

反射：当使用java.lang.reflect包中的方法反射类的方法时。比如：Class.forName("com.atguigu.java.Test")

继承：当初始化子类时，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。当Java虚拟机初始化一个类时，要求它的所有父类都已经被初始化，但是这条规则并不适用于接口。

在初始化一个类时，并不会先初始化它所实现的接口

在初始化一个接口时，并不会先初始化它的父接口

因此，一个父接口并不会因为它的子接口或者实现类的初始化而初始化。只有当程序首次使用特定接口的静态字段时，才会导致该接口的初始化。

default方法：如果一个接口定义了default方法，那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化，该接口要在其之前被初始化。

interface Compare {
	public static final Thread t = new Thread() {
        {
            System.out.println("Compare接口的初始化");
        }
    }   
}

main方法：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。

VM启动的时候通过引导类加载器加载一个初始类。这个类在调用public static void main(String[])方法之前被链接和初始化。这个方法的执行将依次导致所需的类的加载，链接和初始化。

MethodHandle：当初次调用MethodHandle实例时，初始化该MethodHandle指向的方法所在的类。（涉及解析REF getStatic、REF_putStatic、REF invokeStatic方法句柄对应的类）

被动使用

除了以上的情况属于主动使用，其他的情况均属于被动使用。也就是说类的被动使用不会引起类的初始化，并不是在代码中出现的类，就一定会被加载或者初始化。如果不符合主动使用的条件，类就不会初始化。

静态字段：当通过子类引用父类的静态变量，不会导致子类初始化，只有真正声明这个字段的类才会被初始化。

public class PassiveUse {
 	@Test
    public void test() {
        System.out.println(Child.num);
    }
}

class Child extends Parent {
    static {
        System.out.println("Child类的初始化");
    }
}

class Parent {
    static {
        System.out.println("Parent类的初始化");
    }
    
    public static int num = 1;
}

数组定义：通过数组定义类引用，不会触发此类的初始化

Parent[] parents= new Parent[10];
System.out.println(parents.getClass()); 
// new的话才会初始化
parents[0] = new Parent();

引用常量：引用常量不会触发此类或接口的初始化。因为常量在链接阶段就已经被显式赋值了。

public class PassiveUse {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Serival.num);
        // 但引用其他类的话还是会初始化
        System.out.println(Serival.num2);
    }
}

interface Serival {
    public static final Thread t = new Thread() {
        {
            System.out.println("Serival初始化");
        }
    };

    public static int num = 10; 
    public static final int num2 = new Random().nextInt(10);
}

loadClass方法：调用ClassLoader类的loadClass()方法加载一个类，并不是对类的主动使用，不会导致类的初始化。

Class clazz = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("com.test.java.Person");

过程四：类的Using（使用）

任何一个类型在使用之前都必须经历过完整的加载、链接和初始化3个类加载步骤。一旦一个类型成功经历过这3个步骤之后，就可以直接使用这些类了。

开发人员可以在程序中访问和调用它的静态类成员信息（比如：静态字段、静态方法），或者使用new关键字为其创建对象实例。

过程五：类的Unloading（卸载）

类、类的加载器、类的实例之间的引用关系

在类加载器的内部实现中，用一个Java集合来存放所加载类的引用。另一方面，一个Class对象总是会引用它的类加载器，调用Class对象的getClassLoader()方法，就能获得它的类加载器。由此可见，代表某个类的Class实例与其类的加载器之间为双向关联关系。

一个类的实例总是引用代表这个类的Class对象。在Object类中定义了getClass()方法，这个方法返回代表对象所属类的Class对象的引用。此外，所有的java类都有一个静态属性class，它引用代表这个类的Class对象。

类的生命周期

当Sample类被加载、链接和初始化后，它的生命周期就开始了。当代表Sample类的Class对象不再被引用，即不可触及时，Class对象就会结束生命周期，Sample类在方法区内的数据也会被卸载，从而结束Sample类的生命周期。

一个类何时结束生命周期。由代表它的Class对象何时结束。

loader1变量和obj变量间接应用代表Sample类的Class对象，而objClass变量则直接引用它。

如果程序运行过程中，将上图左侧三个引用变量都置为null，此时Sample对象结束生命周期，MyClassLoader对象结束生命周期，代表Sample类的Class对象也结束生命周期，Sample类在方法区内的二进制数据被卸载。

当再次有需要时，会检查Sample类的Class对象是否存在，如果存在会直接使用，不再重新加载；如果不存在Sample类会被重新加载，在Java虚拟机的堆区会生成一个新的代表Sample类的Class实例（可以通过哈希码查看是否是同一个实例）

类的卸载

（1）启动类加载器加载的类型在整个运行期间是不可能被卸载的（jvm和jls规范）

（2）被系统类加载器和扩展类加载器加载的类型在运行期间不太可能被卸载，因为系统类加载器实例或者扩展类的实例基本上在整个运行期间总能直接或者间接的访问的到，其达到unreachable的可能性极小。

（3）被开发者自定义的类加载器实例加载的类型只有在很简单的上下文环境中才能被卸载，而且一般还要借助于强制调用虚拟机的垃圾收集功能才可以做到。可以预想，稍微复杂点的应用场景中（比如：很多时候用户在开发自定义类加载器实例的时候采用缓存的策略以提高系统性能），被加载的类型在运行期间也是几乎不太可能被卸载的（至少卸载的时间是不确定的）。

综合以上三点，一个已经加载的类型被卸载的几率很小至少被卸载的时间是不确定的。同时我们可以看的出来，开发者在开发代码时候，不应该对虚拟机的类型卸载做任何假设的前提下，来实现系统中的特定功能。