# JVM 如何加载类

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本文转载自 [深入拆解JVM](https://time.geekbang.org/column/article/11523)

我们知道，一个java程序，从写完到运行需要经过几个过程。从JVM视角来看，执行 Java 代码首先需要将它编译而成的 class 文件加载到 JVM 中。加载后的 Java 类会被存放于方法区(Method Area)中。实际运行时，虚拟机会执行方法 区内的代码。

那么，JVM到底是如何加载Java Class的？

从 class 文件到内存中的类，按先后顺 序需要经过加载、链接以及初始化三大步骤。

Java 语言的类型可以分为两大类:基本类型(primitive types)和引用类型 (reference types).Java 将引用类型细分为四种:类、接口、数组类和泛型参数。泛型参数在编译过程会被擦除，数组类是由 JVM直接生成的,其他两种则有对应的字节流。字节流就是常见的Java编译器生成的 class文件。

## 加载

加载，是指查找字节流，并且据此创建类的过程。前面提到，对于数组类来说，它并没有对应的 字节流，而是由 JVM直接生成的。对于其他的类来说，JVM则需要借助类加载器 来完成查找字节流的过程。

以盖房子为例，村里的 小明 要盖个房子，那么按照流程他得先找个建筑师，跟他说想要设计一个房型，比如说“一室、一厅、一卫”。你或许已经听出来了，这里的房型相当于类，而建筑师，就相当于类加载器。

村里有许多建筑师，他们等级森严，但有着共同的祖师爷，叫启动类加载器(boot class loader)。启动类加载器是由 C++ 实现的，没有对应的 Java 对象，因此在 Java 中只能用 null 来指代。换句话说，祖师爷不喜欢像 小明 这样的小角色来打扰他，所以谁也没有祖师爷的 联系方式。

除了启动类加载器之外，其他的类加载器都是 java.lang.ClassLoader 的子类，因此有对应的 Java 对象。这些类加载器需要先由另一个类加载器，比如说启动类加载器，加载至 JVM 中，方能执行类加载。

村里的建筑师有一个潜规则，就是接到单子自己不能着手干，得先给师傅过过目。师傅不接手的情况下，才能自己来。在 JVM中，这个潜规则有个特别的名字，叫双亲委派模型。每当一个类加载器接收到加载请求时，它会先将请求转发给父类加载器。在父类加载器没有找到所请求的类的情况下，该类加载器才会尝试去加载。

在 Java 9 之前，启动类加载器负责加载最为基础、最为重要的类，比如存放在 JRE 的 lib 目录 下 jar 包中的类(以及由虚拟机参数 -Xbootclasspath 指定的类)。除了启动类加载器之外， 另外两个重要的类加载器是扩展类加载器(extension class loader)和应用类加载器 (application class loader)，均由 Java 核心类库提供。

扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。它负责加载相对次要、但又通用的类，比如存放在 JRE 的 `lib/ext` 目录下 jar 包中的类(以及由系统变量 java.ext.dirs 指定的类)。

应用类加载器的父类加载器则是扩展类加载器。它负责加载应用程序路径下的类。(这里的应用程序路径，便是指虚拟机参数 -cp/-classpath、系统变量 java.class.path 或环境变量 CLASSPATH 所指定的路径。)默认情况下，应用程序中包含的类便是由应用类加载器加载的。

Java 9 引入了模块系统，并且略微更改了上述的类加载器1。扩展类加载器被改名为平台类加载 器(platform class loader)。Java SE 中除了少数几个关键模块，比如说 java.base 是由启动 类加载器加载之外，其他的模块均由平台类加载器所加载。

除了由 Java 核心类库提供的类加载器外，我们还可以加入自定义的类加载器，来实现特殊的加载方式。举例来说，我们可以对 class 文件进行加密，加载时再利用自定义的类加载器对其解密。

除了加载功能之外，类加载器还提供了命名空间的作用。这个很好理解，打个比方，咱们这个村不讲究版权，如果你剽窃了另一个建筑师的设计作品，那么只要你标上自己的名字，这两个房型就是不同的。

在 JVM中，类的唯一性是由类加载器实例以及类的全名一同确定的。即便是同一串字节 流，经由不同的类加载器加载，也会得到两个不同的类。在大型应用中，我们往往借助这一特性，来运行同一个类的不同版本。

## 链接

链接，是指将创建成的类合并至 JVM中，使之能够执行的过程。它可分为验证、准备以及解析三个阶段。

验证阶段的目的，在于确保被加载类能够满足 JVM的约束条件。这就好比 小明 需要将 设计好的房型提交给市政部门审核。只有当审核通过，才能继续下面的建造工作。

通常而言，Java 编译器生成的类文件必然满足 JVM的约束条件。因此，这部分我留到讲 解字节码注入时再详细介绍。

准备阶段的目的，则是为被加载类的静态字段分配内存。Java 代码中对静态字段的具体初始 化，则会在稍后的初始化阶段中进行。过了这个阶段，咱们算是盖好了毛坯房。虽然结构已经完 整，但是在没有装修之前是不能住人的。 除了分配内存外，部分 JVM还会在此阶段构造其他跟类层次相关的数据结构，比如说用 来实现虚方法的动态绑定的方法表。

在 class 文件被加载至 JVM之前，这个类无法知道其他类及其方法、字段所对应的具体 地址，甚至不知道自己方法、字段的地址。因此，每当需要引用这些成员时，Java 编译器会生 成一个符号引用。在运行阶段，这个符号引用一般都能够无歧义地定位到具体目标上。

举例来说，对于一个方法调用，编译器会生成一个包含目标方法所在类的名字、目标方法的名字、接收参数类型以及返回值类型的符号引用，来指代所要调用的方法。

解析阶段的目的，正是将这些符号引用解析成为实际引用。如果符号引用指向一个未被加载的类，或者未被加载类的字段或方法，那么解析将触发这个类的加载(但未必触发这个类的链接以 及初始化。)

如果将这段话放在盖房子的语境下，那么符号引用就好比“小明 的房子”这种说法，不管它存 在不存在，我们都可以用这种说法来指代 小明 的房子。实际引用则好比实际的通讯地址，如果 我们想要与 小明 通信，则需要启动盖房子的过程。

JVM规范并没有要求在链接过程中完成解析。它仅规定了:如果某些字节码使用了符号 引用，那么在执行这些字节码之前，需要完成对这些符号引用的解析。

## 初始化

在 Java 代码中，如果要初始化一个静态字段，我们可以在声明时直接赋值，也可以在静态代码 块中对其赋值。 如果直接赋值的静态字段被 final 所修饰，并且它的类型是基本类型或字符串时，那么该字段便 会被 Java 编译器标记成常量值(ConstantValue)，其初始化直接由 JVM完成。除此 之外的直接赋值操作，以及所有静态代码块中的代码，则会被 Java 编译器置于同一方法中，并把它命名为。

类加载的最后一步是初始化，便是为标记为常量值的字段赋值，以及执行方法的过程。Java 虚 拟机会通过加锁来确保类的方法仅被执行一次。

只有当初始化完成之后，类才正式成为可执行的状态。这放在我们盖房子的例子中就是，只有当 房子装修过后，小明 才能真正地住进去。

那么，类的初始化何时会被触发呢?JVM 规范枚举了下述多种触发情况:

1. 当虚拟机启动时，初始化用户指定的主类;
2. 当遇到用以新建目标类实例的 new 指令时，初始化 new 指令的目标类; 3. 当遇到调用静态方法的指令时，初始化该静态方法所在的类;
3. 当遇到访问静态字段的指令时，初始化该静态字段所在的类;
4. 子类的初始化会触发父类的初始化;
5. 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，会触 发该接口的初始化;
6. 使用反射 API 对某个类进行反射调用时，初始化这个类;
7. 当初次调用 MethodHandle 实例时，初始化该 MethodHandle 指向的方法所在的类。

```java
public class Singleton {
  private Singleton() {}
  private static class LazyHolder {
    static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
  }
  public static Singleton getInstance() {
    return LazyHolder.INSTANCE;
} }
```

这段代码是在著名的单例延迟初始化例子中，只有当调用 Singleton.getInstance 时，程序才会访问 LazyHolder.INSTANCE，才会触发对 LazyHolder 的初始化(对应第 4 种情况)，继而新建一个 Singleton 的实例。 由于类初始化是线程安全的，并且仅被执行一次，因此程序可以确保多线程环境下有且仅有一个 Singleton 实例。