概述

一个 class 文件被加载到内存中需要经过三大步：装载、链接、初始化。其中链接又可以细分为：验证、准备、解析三小步。如图所示：

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装载

装载是指JVM找到class文件生成字节流，然后根据字节流创建java.lang.Class对象的过程。

过程如下：

  • ClassLoader通过一个类的包名+类型来查找.class文件。并生成二进制字节流。

  • 把class文件解析为JVM内部的数据结构，并存储在方法区。（这种解析类似json文件解析成运行时的bean类）

  • 在内存中创建一个java.lang.Class类型的对象。

加载时机

  • 隐式装载：在程序运行过程中，当碰到通过new等方式生成对象时，系统会隐式调用ClassLoader去装载对应的class到内存中。

  • 显示装载：在编写源代码时，主动调用Class.forName()等方法也会进行class装载操作，这种方式通常称为显示装载。

链接

链接过程分为 3 步：验证、准备、解析。

验证

验证是链接的第一步，目的是为了确保.class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危及虚拟机本身的安全。主要包含以下几个方面的检验。

  • 文件格式检验：检验字节流是否符合class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。

  • 元数据检验：对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的内容符合 Java 语言规范的要求。

  • 字节码检验：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法、符合逻辑的。

  • 符号引用检验：符号引用检验可以看作是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验。

准备

准备是链接的第 2 步，这一阶段的主要目的是为类中的静态变量分配内存，并为其设置“0值”。

解析

解析是链接的最后一步，这一阶段的任务是把常量池中的符号引用转换为直接引用，也就是具体的内存地址。在这一阶段，JVM会将常量池中的类、接口名、字段名、方法名等转换为具体的内存地址。

初始化

这是 class 加载的最后一步，这一阶段是执行类构造器方法的过程，并真正初始化类变量。比如：

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public static int value = 100;

在准备阶段 value 被分配内存并设置为 0，在初始化阶段 value 就会被设置为 100。

初始化的时机

对于装载阶段，JVM 并没有规范何时具体执行。但是对于初始化，JVM规范中严格规定了 class 初始化的时机，主要有以下几种情况会触发 class 的初始化：

  • 虚拟机启动时，初始化包含 main 方法的主类；

  • 遇到 new 指令创建对象实例时，如果目标对象类没有被初始化则进行初始化操作；

  • 当遇到访问静态方法或者静态字段的指令时，如果目标对象类没有被初始化则进行初始化操作；

  • 子类的初始化过程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；

  • 使用反射 API 进行反射调用时，如果类没有进行过初始化则需要先触发其初始化；

  • 第一次调用 java.lang.invoke.MethodHandle 实例时，需要初始化 MethodHandle 指向方法所在的类。

初始化创建的顺序

静态变量/静态代码块 -> 普通代码块 -> 构造函数

  • 父类静态变量和静态代码块；

  • 子类静态变量和静态代码块；

  • 父类普通成员变量和普通代码块；

  • 父类的构造函数；

  • 子类普通成员变量和普通代码块；

  • 子类的构造函数。

总结

主要介绍了.class文件被加载到内存中所经过的详细过程，主要分3大步：装载、链接、初始化。其中链接中又包含验证、准备、解析3小步。

  • 装载：指查找字节流，并根据此字节流创建类的过程。装载过程成功的标志就是在方法区中成功创建了类所对应的Class对象。

  • 链接：指验证创建的类，并将其解析到JVM中使之能够被JVM执行。

  • 初始化：则是将标记为static的字段进行赋值，并且执行static标记的代码语句 。

参考

拉勾教育 - Android 工程师进阶34讲