JVM - ClassLoader装载流程

注意：装载和加载的区别：

装载，指的是.class文件加载到初始化的整个生命周期；
加载，指的是.class文件装载的第一个阶段

类装载机制

jvm把class文件加载到内存中，并对数据进行校验、解析和初始化，最终形成JVM可以直接使用的java类的全过程。

ClassLoader的装载流程图

输入图片说明

类装载的前提条件

class只有使用的时候才会被装载，java虚拟机也不会无条件的装载class类型

装载流程

加载类

加载类处于类装载的第一个阶段，将class文件的字节码加载到内存中，并将静态数据转换成方法区中的运行时数据结构，在堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区类数据的访问入口。

该过程需要ClassLoader参与。

加载类，JVM必须完成：

通过类的全名，获取类的二进制数据流
解析类的二进制数据流为方法区内的数据结构
创建java.lang.Class类的实例，表示该类型

连接

将java类的二进制代码合并到JVM的运行状态中。这一步包含三个操作：

验证，确保加载的类信息符合JVM规范，没有安全方面的问题
准备验证通过后，虚拟机就会进入准备阶段，在这个阶段，虚拟机会为这个类变量在方法区分配相应的内存空间，并设置初始值。下图为虚拟机为各种类型变量默认的初始值：

输入图片说明

注意：

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默认值是false。
此处进行内存分配的只是类变量（static修饰的变量），不包括实例变量（实例变量会在对象实例化时随着对象一起分配在java堆中）
解析，该阶段的任务就是将类、接口、字段和方法的符号引用转为直接引用

符号应用，就是一些字面量的引用，和虚拟机的内部数据结构和内存布局无关。

初始化类

初始化是类装载的最后一个阶段。如果前面的操作没有问题，表示类可以顺利装载到系统中。此时，类才会开始执行java字节码。

该阶段的重要工作，是执行类的初始化方法<clinit>，为类变量赋予正确的值。方法<clinit>是由编译器自动生成的，它是由类静态成员的赋值语句以及static语句块合并产生的。

在加载一个类之前，虚拟机总是会试图加载该类的父类，因此父类的<clinit>方法总是在子类<clinit>之前被调用。

初始化一个类包含两个步骤：

如果类存在超类，先初始化超类
如果类存在类初始化方法，就执行此方法

初始化一个接口只有一个步骤：如果该接口存在接口初始化方法，就执行此方法，接口不初始化父接口。

注意：

java编译器并不是为所有的类都产生一个<clinit>初始化方法，以下几种情况就没有： ① 类没有申明类变量，也没有任何静态初始化语句（static代码块）； ② 类申明了类变量，但是没有任何的类变量初始化语句，也没有静态初始化语句进行初始化； ③ 类仅包含静态final变量的类变量初始化语句，而且是编译时候的常量
初始化类的过程必须保持同步，如果有多个线程初始化一个类，仅仅允许一个线程执行初始化，其他的线程都需要等待。。

类初始化

JVM规定：一个类或者接口在初次使用时，必须进行初始化。这里的“使用”，指的是”主动使用”，包括以下几种情况：

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
当调用类的静态方法时，即当使用了字节码invoke static指令
当使用类或接口的静态字段时（final常量除外），即使用了getstatic或putstatic指令
当使用java.lang.reflect包中的方法反射类的方法时
当初始化子类时，必须先初始化父类
作为启动虚拟机、含有main方法的那个类

除了以上情况属于主动使用外，其他均属于被动使用，被动使用不会引起类的初始化。

主动使用示例

public class Parent {
    static {
        System.out.println("Parent init.");
    }
}

public class Child extends Parent {
    static {
        System.out.println("Child init.");
    }
}

public class InitMain {
    public static void main(String[] args) {
        Child child = new Child();
    }
}

上述示例声明了三个类：Parent、Child（extends Parent）、InitMain。若Parent被初始化，static被执行将打印“Parent Init”；若Child被初始化，将会打印“Parent init”、"Child init"。执行InitMain，打印结果为：

Parent init.
Child init.

总结：

根据上述示例可知，系统首先加载Parent类，接着装载Child类。符合主动装载中的两个条件，使用new关键字创建类的实例会装载相关的类，以及在初始化子类时，必选先初始化父类。

被动装载示例

public class Parent {
    static {
        System.out.println("Parent init");
    }

    public static int v = 100;
}

public class Child extends Parent {
    static {
        System.out.println("Child init.");
    }
}

public class InitMain {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Child.v);
    } 
}

说明：Parent类中定义了类变量v，在InitMain测试类中，使用子类Child调用父类中的类变量v。

执行结果：

Parent init
100

总结：

在InitMain测试类中，通过子类Child直接访问了Parent类中的static变量v，但是子类Child并未初始化，只有父类Parent完成初始化。所以，在引用一个字段时，只有直接定义该字段的类，才会被初始化。

注意：虽然子类Child没有被初始化，但是此时Child类已经被系统加载，只是没有进入到初始化阶段。

引用final常量

public class FinalFieldClass {
    public static final String CONST_STR = "hello world";
    
    static {
        System.out.println("FinalFieldClass init");
    }
}

public class FinalFieldTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(FinalFieldClass.CONST_STR);
    }
}

运行结果： hello world.

分析：FinalFiledClass类没有因为其常量字段CONST_STR被引用而初始化，这是因为在Class文件生成时，final常量由于其不变性，做了适当的优化。

总结：

编译后的FinalFieldClass.class中，并没有引用FinalFieldClass类，而是将其final常量直接存放在常量池中，因此FinalFiledClass类自然不会被加载。javac在编译时，将常量直接植入目标类，不再使用被引用类。

注意：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，类就不会被初始化。