JVM 為什么需要類加載機制？深入淺出 JVM 類加載原理
類加載機制是什么？
在 Java 中，類加載機制是 Java 虛擬機（JVM）將 .class 文件加載到內存并轉化為可以運行的 Class 對象的過程。簡單來說，類加載機制是讓“代碼變為現實”的第一步！
你可能會問，為什么需要類加載機制？ 因為 Java 是一門 動態語言，類可以在運行時加載、鏈接和初始化，這種靈活性讓 Java 能夠實現跨平臺運行、高效的內存管理和模塊化架構。
類加載的三個階段
根據《Java 虛擬機規范》，類的生命周期包括以下三個主要階段：加載、鏈接 和 初始化。
而其中鏈接又分為三個子階段：驗證（Verification）、準備（Preparation）、解析（Resolution）。
圖片
我們逐一拆解這些階段的工作原理和流程。
加載（Loading）
Chaya：類加載階段作用是什么？非要加載嗎？
主要是使用 "類加載器" 將本地或者遠程網絡中的字節碼文件，通過讀字節流的方式加載到 Java 虛擬機內存中。在加載階段中 Java 虛擬機主要完成以下三件事情:
- ① 通過一個類的全限定名稱來獲取定義此類的二進制字節流。
- ② 將這個字節流所代表的靜態存儲結構轉化為方法區的運行時數據結構。
- ③ 在內存中生成一個代表這個類的
java.lang.Class對象，作為方法區中這個類的各種數據的訪問入口。
加載是類加載的第一步，JVM 需要完成以下任務：
圖片
- 讀取 Class 文件：通過類的全限定名找到對應的
.class文件。 - 轉換為 JVM 可識別的結構：將 Class 文件的二進制數據轉換為 JVM 的運行時數據結構。
- 創建 Class 對象：在內存中創建
java.lang.Class對象，作為該類的入口。
示例。
Class<?> clazz = Class.forName("com.example.MyClass");這段代碼會觸發 MyClass 的加載，將其 .class 文件讀取到內存中，并生成 Class 對象。
鏈接（Linking）
鏈接 是將 Class 文件中的符號引用解析為直接引用的過程，分為以下三個子階段：
- 驗證（Verification）確保 Class 文件的字節碼格式和內容符合 JVM 的規范。
驗證文件格式：Class 文件是否以 0xCAFEBABE 開頭。
驗證字節碼：指令是否符合 JVM 規范，數據類型是否匹配。
- 準備（Preparation）為類的靜態變量分配內存，并設置默認值。
例如：static int a = 10; 在準備階段，a 的初始值是 0。
- 解析（Resolution）將符號引用替換為內存地址的直接引用。
符號引用：java.lang.String
直接引用：指向 String 類在內存中的地址。
驗證階段 (Verification)
驗證階段的主要目的是對字節碼字節流進行校驗，判斷其內容是否符合當前虛擬機的規范，以確保被加載的代碼運行后不會對虛擬機造成損害。
大多數虛擬機大致都會對 文件格式、元數據、字節碼、符號引用 幾項內容進行校驗。
文件格式驗證
文件格式驗證主要是對 字節流格式 進行校驗，判斷其是否符合字節碼文件格式規范，并且還要判斷其是否可以運行在當前版本的虛擬機中。比如:
序號 | 描述 |
1 | 驗證是否以 0XCAFEBABE 開頭 |
2 | 驗證主、次版本號，是否包含在當前虛擬機支持的版本范圍內 |
3 | 驗證字節碼常量池中的常量類型，是否都被虛擬機所支持 |
4 | 驗證指向常量的各種索引值，是否有指向不存在的常量或不符合類型的常量 |
5 | 驗證 CONSTANT_Utf8_info 類型常量中，是否有不符合 UTF-8 編碼的數據 |
6 | 驗證字節碼文件中各個部分及文件本身，是否有被刪除或附加的其他信息 |
文件格式驗證的主要目的其實就是為了保證加載的字節碼可以被正確地解析并存儲在方法區內。
元數據驗證
元數據驗證主要是對 字節碼 中的 元數據信息 進行語法校驗，避免存在不符合 Java 語法規范的元數據信息。比如:
序號 | 描述 |
1 | 驗證當前類的父類是否繼承了不允許被繼承的類，比如被 final 修飾的類 |
2 | 驗證當前類是否有父類，一般情況下除了 java.lang.Object 外，所有的類都應當有父類 |
3 | 驗證如果當前類不是抽象類，則當前類是否實現了其父類或接口之中要求實現的所有方法 |
4 | 驗證當前類中的字段或方法是否與父類有沖突，比如當前類覆蓋了父類的 final 字段，或者當前類實現的方法參數都一致，但返回值的類型卻不同，導致不符合方法重載規則等情況 |
字節碼驗證
字節碼驗證主要是對 數據流 和 控制流 進行分析，以確保其語法合規且符合邏輯。
符號引用驗證
符號引用驗證主要對 字節碼常量池 中 常量 的各種 符號引用 進行校驗，確保當前類引用到的其它類或者方法是真實存在且有權限訪問的。如果符號引用中關聯的類無法在系統中查找到，就會拋出 NoClassDefFoundError 錯誤，如果符號引用中關聯的方法無法找到，則會拋出 NoSuchMethodError 錯誤。
準備階段 (Preparation)
準備階段主要是用于對類或接口中的 "靜態變量" 分配內存空間，以及對變量設置默認的初始值。
準備階段和初始化階段，這兩個階段都是用于對靜態變量設置值，概念上容易混淆，所以這里需要特別說明一下，準備階段只是對靜態變量設置初始默認值，而真正賦值操作是在初始化階段完成的。
例如，下面示例代碼在執行時:
public class A {
static int test = 999;
}- 準備階段會對變量 test 設置默認值
0； - 初始化階段會對變量 test 賦予初始值
999；
解析階段 (Resolution)
解析階段主要是用于將 字節碼常量池 中的 符號引用 替換為 直接引用 的過程。
- 符號引用 (Symbolic References): 符號引用就是用于描述引用目標的一組符號，它可以是任何形式的字面量 (只要符合 Java 虛擬機規范)。
- 直接引用 (Direct References): 直接引用可以是直接指向目標的指針、相對偏移量，或者是一個能間接定位到目標的句柄。
初始化（Initialization）
- 初始化階段是類加載的最后一步，也是最重要的階段。此階段會執行靜態變量的賦值操作和靜態代碼塊。
初始化的觸發條件：
類的初始化順序
先初始化父類。
再初始化當前類的靜態變量和靜態代碼塊。
使用 new 關鍵字實例化對象時。
訪問類的靜態字段或靜態方法時。
使用反射調用類時。
唐二婷：初始化階段有啥用？可以談戀愛嗎？
初始化階段主要是執行 類構造器 方法 <clinit>()，該方法不需要定義，代碼在經過 Javac 編譯器編譯時，會自動收集類中的所有 類變量 的賦值動作和 靜態代碼塊 中的語句，對這些代碼進行合并，形成類構造器 <clinit>() 。
在執行類構造器 <clinit>() 時，會對類中的 類變量 和 靜態代碼塊 進行初始化賦值操作，如果該類存在父類，則會先執行父類中的類構造器 <clinit>()，對父類中的 類變量 和 靜態代碼塊 進行初始化。
示例如下。
public class FatherCLass {
public static int number;
static {
System.out.println(number);
System.out.println("父類 static{} 初始化");
}
}子類:
public class SubInitialization extends FatherCLass {
static{
// number 屬于父類的屬性，這里要能執行成功，說明父類已經加載
number = 100;
System.out.println("子類 static{} 初始化");
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(number);
}
}執行時輸出如下:
0
父類 static{} 初始化
子類 static{} 初始化
100
