类加载的过程（生命周期）详情分析

Dear 丶 2022-09-10 05:13 111阅读 0赞

class的加载分为好几个阶段 分为 **Loading**，**Linking**，**Initialization**，**Using**，**Unloading** 这几个阶段

# 过程一：Loading(装载)阶段 #

所谓装载，简而言之就是**将Java类的字节码文件加载到机器内存**中，  
并在内存中构建出Java类的原型——类模板对象。

**装载完成的操作**  
装载阶段，简言之，**查找并加载类的二进制数据，生成Class的实例**。  
在加载类时，Java虚拟机必须完成以下3件事情：

*  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**（Java类模型）
 *  创建java.lang.Class类的实例，表示该类型。作为方法区这个类的各种数据的访问入口

# 过程二：Linking(链接)阶段 #

## 链接过程之验证阶段(Verification) ##

当类加载到系统后，就开始链接操作，验证是链接操作的第一步。**它的目的是保证加载的字节码是合法、合理并符合规范的**。

验证的步骤比较复杂，实际要验证的项目也很繁多，大体上Java虚拟机需要做以下检査，如图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a2U6Iie5riF5Y2O_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

**整体说明：**  
验证的内容则涵盖了类数据信息的格式验证、语义检查、字节码验证，以及符号引用验证等。

*  其中格式验证会和装载阶段一起执行。验证通过之后，类加载器才会成功将类的二进制数据信息加载到方法区中。
 *  格式验证之外的验证操作将会在方法区中进行。

## 链接过程之准备阶段(Preparation) ##

**简言之，为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值。**  
全局常量，如： static final int a = 100 ,不涉及方法或构造器的调用，也会再此阶段赋值

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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a2U6Iie5riF5Y2O_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]

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的默认值就是false。

## 链接过程之解析阶段(Resolution) ##

简言之，将类、接口、字段和方法的**符号引用转为直接引用**。

**具体描述:**

> 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。

举例：输出操作System.out.println()对应的字节码：  
invokevirtual \#24 <java/io/PrintStream.println>

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a2U6Iie5riF5Y2O_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]

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**。

**小结：**  
所谓解析就是将符号引用转为直接引用，也就是得到类、字段、方法在内存中的指针或者偏移量。因此，可以说，如果直接引用存在，那么可以肯定系统中存在该类、方法或者字段。但只存在符号引用，不能确定系统中一定存在该结构。

# 过程三：Initialization(初始化)阶段 #

初始化阶段，简言之，**为类的静态变量赋予正确的初始值**。(显式初始化)

类的初始化是类装载的最后一个阶段。如果前面的步骤都没有问题，那么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。（即：到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码。）  
初始化阶段的重要工作是执行类的初始化方法:`clinit()`方法：

*  该方法仅能由Java编译器生成并由JVM调用，程序开发者**无法自定义**一个同名的方法，更无法直接在Java程序中调用该方法，虽然该方法也是由字节码指令所组成。
 *  它是由类**静态成员的赋值语句以及static语句块合并**产生的。

**子父类加载问题：**

>  *  在加载一个类之前，虚拟机总是会试图加载该类的父类，因此父类的总是在子类之前被调用。也就是说，父类的static块优先级高于子类。
>  *  口诀：由父及子，静态先行。

**哪些类不会生成 `clinit()` 方法：**

> Java编译器并不会为所有的类都产生`clinit()`初始化方法。哪些类在编译为字节码后，字节码文件中将不会包含`clinit()`方法？
> 
>  *  一个类中并没有声明任何的类变量(静态变量)，也没有静态代码块时
>  *  一个类中声明类变量（静态变量），但是没有明确使用类变量的初始化语句以及静态代码块来执行初始化操作时
>  *  一个类中包含static final修饰的**基本数据类型**的字段，这些类字段初始化语句采用编译时常量表达式

**`clinit()`的调用会产生死锁问题：**

>  *  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`clinit()`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()`带锁线程安全的**，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。

如下例子：

class StaticA { 
        static { 
            try { 
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) { 
            }
            try { 
                Class.forName("com.fyj.jvm.StaticB");
            } catch (ClassNotFoundException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("StaticA init OK");
        }
    }
    
    class StaticB { 
        static { 
            try { 
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) { 
            }
            try { 
                Class.forName("com.fyj.jvm.StaticA");
            } catch (ClassNotFoundException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("StaticB init OK");
        }
    }
    
    public class StaticDeadLockMain extends Thread { 
        private char flag;
    
        public StaticDeadLockMain(char flag) { 
            this.flag = flag;
            this.setName("Thread" + flag);
        }
    
        @Override
        public void run() { 
            try { 
                Class.forName("com.fyj.jvm.Static" + flag);
            } catch (ClassNotFoundException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(getName() + " over");
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            StaticDeadLockMain loadA = new StaticDeadLockMain('A');
            loadA.start();
            StaticDeadLockMain loadB = new StaticDeadLockMain('B');
            loadB.start();
        }
    }

运行main方法，该程序永远不会结束，产生了死锁问题。main方法运行会先启动线程A，在启动线程B，然后分别通过Class.forName加载A类或B类静态代码块及会运行`clinit()`方法。而A类的代码块中又去加载B类，B静态代码块中有趣加载A类，因为`clinit()`是线程安全加锁的，所以产生了死锁。

## **类的初始化情况：主动适应，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。

**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。）

> 1.  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。
> 2.  当调用类的静态方法时，即当使用了字节码invokestatic指令。
> 3.  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。
> 4.  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”)
> 5.  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。
> 6.  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。
> 7.  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。

**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。**被动使用不会引起类的初始化**。

也就是说：**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**。

1.  当访问一个静态字段时，只有真正声明这个字段的类才会被初始化。如，当通过子类引用父类的静态变量，不会导致子类初始化
2.  通过数组定义类引用，不会触发此类的初始化
3.  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。
4.  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。

被动的使用，意味着不需要执行初始化环节，意味着没有`clinit()`的调用。

**面试题：如下类的运行main方法后的会输出什么**

public class T { 
        public static int k = 0;
        public static T t1 = new T("t1");
        public static T t2 = new T("t2");
        public static int i = print("i");
        public static int n = 99;
    
        public int j = print("j");
    
        { 
            print("构造块");
        }
    
        static { 
            print("静态块");
        }
    
        public T(String str) { 
            System.out.println((++k) + ":" + str + " i=" + i + " n=" + n);
            ++n;
            ++i;
        }
    
        public static int print(String str) { 
            System.out.println((++k) + ":" + str + " i=" + i + " n=" + n);
            ++n;
            return ++i;
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
    
        }
    }

面试题分析：

> 1.  运行main方法会触发main方法本类的类加载初始化，进而会执行`clinit()`方法
> 2.  `clinit()`方法会先给静态变量赋值（自上而下），先给k赋值0，然后给t1赋值
> 3.  给t1赋值时是通过new T(“t1”)的，而构造器的执行会在一个init方法（init封装了成员变量赋值，构造块，构造方法）里面执行，
> 4.  **init方法里面会先给成员变量赋值，然后调用代码块，在调用构造方法。**
> 5.  所以会先执行 `public int j = print("j");`，在执行构造块，在执行构造器，
> 6.  在执行 print(“j”) 的时候 i 和 n的值还只是默认值，在输出构造块，在构造器
> 7.  接下来的输入就非常清楚了，看输出结果

通过以上分析，输出结果如下：

1:j  i=0  n=0
    2:构造块  i=1  n=1
    3:t1  i=2  n=2
    4:j  i=3  n=3
    5:构造块  i=4  n=4
    6:t2  i=5  n=5
    7:i  i=6  n=6
    8:静态块  i=7  n=99

# 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，便“万事俱备，只欠东风”，就等着开发者使用了。

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。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA6a2U6Iie5riF5Y2O_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]

**何种情况类会被卸载**

>  *  **一个类何时结束生命周期，取决于代表它的Class对象何时结束生命周期**。

>  *  如上图，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。

>  *  loader1变量和obj变量间接引用代表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)。

**类卸载在实际生产中的情况如何**

> (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。

**方法区的垃圾回收**

> 方法区的垃圾收集主要回收两部分内容：常量池中废弃的常量和不再使用的类型。  
> HotSpot虚拟机对常量池的回收策略是很明确的，只要常量池中的常量没有被任何地方引用，就可以被回收。

> 判定一个常量是否“废弃”还是相对简单，而要判定一个类型是否属于“不再被使用的类”的条件就比较苛刻了。需要同时满足下面三个条件：
> 
>  *  该类所有的实例都已经被回收。也就是Java堆中不存在该类及其任何派生子类的实例。
>  *  加载该类的类加载器已经被回收。这个条件除非是经过精心设计的可替换类加载器的场景，如> - OSGi、JSP的重加载等，否则通常是很难达成的。
>  *  该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

> Java虚拟机被允许对满足上述三个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“被允许”，而并不是和对象一样，没有引用了就必然会回收。

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