面试官，不要再问我“Java虚拟机类加载机制”了

关于Java虚拟机类加载机制每每有两方面的面试题：根据程序判断输出结果和讲讲虚拟机类加载机制的流程。其实这两类题本质上都是考察面试者对Java虚拟机类加载机制的了解。

面试题试水

如今有这样一道判断程序输出结果的面试题，先看看打印的结果是什么？

public class SuperClass {

	static {
		System.out.println("SuperClass static init");
	}

	public static String ABC = "abc";
}

public class SubClass extends SuperClass{

	static {
		System.out.println("SubClass static init");
	}
}

public class Main {

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(SubClass.ABC);
	}

}

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上面定义了三个类，其中SubClass继承SuperClass，而后Mian类中打印SubClass.ABC的值。那么，控制台打印结果是什么？

SuperClass static init
abc
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你作对了么？这是为何呢？对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，所以经过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。

再对上面的代码进行调整，对静态变量ABC添加final修饰。

public class SuperClass {

	static {
		System.out.println("SuperClass static init");
	}

	public static final String ABC = "abc";
}

public class SubClass extends SuperClass{

	static {
		System.out.println("SubClass static init");
	}
}

public class Main {

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(SubClass.ABC);
	}

}
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打印结果为：

abc
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这又是为何呢？由于，常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，也就是说Main类对SubClass.ABC的引用已经与SuperClass无关了，实际上已经转行为Main类对ABC的引用了。

作好的铺垫，能够开始对类加载机制的了解了。

类加载过程

虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转化解析和初始化，最终造成能够被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。

整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)7个阶段。其中准备、验证、解析3个部分统称为链接（Linking）。

其中加载、验证、准备、初始化和卸载的执行顺序是肯定的，解析阶段则在某些状况下能够在初始化阶段以后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。

加载阶段

在加载阶段虚拟机会完成三件事：

• 经过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；
• 将这个字节流所表明的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；
• 在内存中生成一个表明这个类的java.lang.Class对象，做为方法区这个类的各类数据的访问入口；

其中获取二进制字节流能够经过Class文件、ZIP包、网络、运行时（动态代理）、JSP生成、数据库等途径获取。

须要注意的是数组类的加载，数组类并不经过类加载器加载，而是由Java虚拟机直接建立，但数组类的元素仍是要依靠类加载器进行加载。

这些二进制字节流加载完成以后，按照指定的格式存放于于方法区内（Java7及之前方法区位于永久代，Java8位于Metaspace）。而后在方法区生成一个比较特殊的java.lang.Class对象，用来做为程序访问方法区中这些类型数据的外部接口。

验证阶段

验证的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，而且不会危害虚拟机自身的安全。

文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；好比，是否以魔术0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围以内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。只有验证经过才会进入方法区进行存储。

元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；好比，是否有父类（除Object类）、父类是否为final修饰、是否实现抽象方法或接口、重载是否正确等。

字节码验证：经过数据流和控制流分析，肯定程序语义是合法的、符合逻辑的。好比，保证数据类型与指令正常配合工做、指令不会跳转到方法体外的字节码上，方法体中的类型转换是有效的等。

符号引用验证：在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候进行验证，能够看作是对类自身之外的信息（常量池中的各类符号引用）进行匹配性的校验。常见的异常好比：java.lang.NoSuchMethdError、java.lang.NoSuchFiledError等。

准备阶段

准备阶段主要是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值，变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

此处的类变量指的是被static修饰的变量，不包含实例变量，实例变量在对象实例化阶段分配在堆中。

public static String ABC = "abc";
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而且，变量的初始化值并非类中定义的值，而是该变量所属类型的默认值。

固然，也有特殊状况，好比当变量被final修饰时：

public static final String ABC = "abc";
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此时，该字段属性是ConstantValue时，会在准备阶段初始化为指定的值。

解析阶段

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。解析动做主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。

这里咱们看一下字段解析，也就是最开始第一道面试题。当获取SubClass的属性ABC时，首先会查找SubClass自己是否包含该字段，若是包含则直接返回引用，查找结束。

不然，若是SubClass类实现了接口或继承了父类，那么则递归搜索各个接口和父类，找到匹配的属性则返回，查找结束。

不然，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。若是返回成功了，可是是权限校验失败，也就是无该字段的访问权限，则抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

其余形式的解析，就再也不这里一一说明了。

初始化阶段

初始化阶段才是真正执行类中定义的Java程序代码（字节码）。在此阶段会根据代码进行类变量和其余资源的初始化，或者能够从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

<clinit>()方法是由编译器自动收集类中的全部类变量的赋值动做和静态语句块(static语句块)中的语句合并生成的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块以前的变量，定义在它以后的变量，在前面的静态语句块中能够赋值，可是不能访问。

编译器提示错误。

将其放在后面，则正常编译执行，输出结果为“edf”：

若是将static中的打印语句去掉，那么下面这段代码的打印结果会是什么呢？

public class Main {
	static {
		//能够赋值
		abc = "edf";
		//编译器会提示“非法向前引用”
//		System.out.println(abc);
	}

	static String abc = "abc";

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(abc);
	}
}
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打印结果为“abc”。在准备阶段属性abc的值为null，而后类初始化按照顺序执行，首先执行static块中的abc=“edf”赋值操做，接着执行abc="abc"的赋值操做，此时值为“abc”。当main方法调用打印时则为“abc”。

<clinit>()方法与实例构造器<init>()方法不一样，它不须要显示地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类<cinit>()方法执行以前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。最开始的面试题中打印出父类静态块的方法就是这个缘由。

因为父类的<clinit>()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操做。

<clinit>()方法对于类或者接口来讲并非必需的，若是一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操做，那么编译器能够不为这个类生产<clinit>()方法。

接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操做，所以接口与类同样都会生成<clinit>()方法。但接口与类不一样的是，执行接口的<clinit>()方法不须要先执行父接口的<clinit>()方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也同样不会执行接口的<clinit>()方法。

虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确的加锁、同步，若是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，其余线程都须要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。若是在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操做，就可能形成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞每每是隐藏的。

虚拟机规范初始化

虚拟机规范严格规定了有且只有5中状况（jdk1.7）必须对类进行“初始化”（而加载、验证、准备天然须要在此以前开始）：

• 遇到new,getstatic,putstatic,invokestatic这失调字节码指令时，若是类没有进行过初始化，则须要先触发其初始化。生成这4条指令的最多见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
• 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，若是类没有进行过初始化，则须要先触发其初始化。
• 当初始化一个类的时候，若是发现其父类尚未进行过初始化，则须要先触发其父类的初始化。
• 当虚拟机启动时，用户须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。
• 当使用jdk1.7动态语言支持时，若是一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getstatic,REF_putstatic,REF_invokeStatic的方法句柄，而且这个方法句柄所对应的类没有进行初始化，则须要先出触发其初始化。

该段内容引自周志明《深刻理解java虚拟机》。

小结

通过以上步骤，便完成了虚拟机类的加载过程，后续会继续讲解虚拟机的类加载器和双亲委派机制。欢迎你们关注公众号“程序新视界”继续深刻学习。

原文连接：《面试官，不要再问我“Java虚拟机类加载机制”了》

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