问题

Java中类加载的过程是怎么样的?

答案

核心概念

Java类加载是指将.class文件的二进制数据读入内存，在方法区生成Class对象，并使其可用的完整过程。类加载分为加载、连接（验证、准备、解析）、初始化五个阶段。

类加载的完整流程 

加载(Loading) → 验证(Verification) → 准备(Preparation)
    → 解析(Resolution) → 初始化(Initialization)

1. 加载（Loading）

将类的字节码从磁盘、网络或其他来源加载到JVM内存，完成三件事：

  1. 通过类的全限定名获取二进制字节流
    • 从ZIP包读取（JAR、WAR）
    • 从网络获取（Applet）
    • 运行时动态生成（动态代理）
    • 从数据库读取
    • 从加密文件读取

  2. 将字节流的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构

  3. 在堆中生成代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区数据的访问入口

关键点：数组类不通过类加载器创建，由JVM直接创建。

2. 验证（Verification）

确保Class文件的字节流符合JVM规范，不会危害虚拟机安全。验证分为4个阶段：

  1. 文件格式验证 ```
    • 魔数是否为 0xCAFEBABE
    • 主次版本号是否在JVM支持范围内
    • 常量池的常量类型是否合法
    • UTF-8编码是否合法 ```
  2. 元数据验证 ```
    • 是否有父类（除Object外所有类都应有父类）
    • 父类是否继承了不可继承的类（final修饰的类）
    • 抽象类是否实现了所有抽象方法或接口方法 ```
  3. 字节码验证（最复杂） ```
    • 数据流和控制流分析
    • 保证操作数栈的数据类型与指令代码序列能配合工作
    • 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上 ```
  4. 符号引用验证（解析阶段触发） ```
    • 符号引用的类、字段、方法是否可被当前类访问
    • 检查权限（private、protected、public、default） ```

优化：可使用-Xverify:none跳过验证，缩短类加载时间（生产环境不推荐）。

3. 准备（Preparation）

在方法区为类变量（static变量）分配内存并设置初始值。

关键原理：

  • 初始值是零值，而非代码赋值的实际值
  • public static int value = 123; → 准备阶段value=0，初始化阶段才赋值123
  • 例外：public static final int value = 123; → 准备阶段直接赋值123（常量）

内存位置：

  • JDK 7及之前：方法区（永久代）
  • JDK 8及之后：方法区（元空间 Metaspace）

零值表：

int/short/byte/long → 0
float/double → 0.0
char → '\u0000'
boolean → false
引用类型 → null

4. 解析（Resolution）

将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

概念区分：

  • 符号引用：用字符串描述目标，如com/example/MyClass
  • 直接引用：直接指向目标的指针、偏移量或句柄

解析内容：

  1. 类或接口的解析（CONSTANT_Class_info）
  2. 字段解析（CONSTANT_Fieldref_info）
  3. 类方法解析（CONSTANT_Methodref_info）
  4. 接口方法解析（CONSTANT_InterfaceMethodref_info）

时机：JVM规范未强制要求解析时机，由实现决定：

  • 静态解析：类加载时完成（JDK早期版本）
  • 动态解析：首次使用时解析（现代JVM）

5. 初始化（Initialization）

执行类构造器<clinit>()方法的过程，真正执行类中定义的Java代码。

**() 方法特点**：

  1. 由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并生成
  2. 执行顺序按源文件中的出现顺序决定
  3. 父类的<clinit>()先于子类执行
  4. 如果类中没有静态代码块和类变量赋值，可以不生成<clinit>()方法
  5. 接口不能有静态代码块，但可以有变量初始化，也会生成<clinit>()
  6. JVM保证<clinit>()的线程安全（多线程环境下只执行一次）

示例代码：

public class ClassLoadingProcess {
    // 准备阶段：value = 0
    // 初始化阶段：value = 100 → value = 200
    static {
        value = 100;
        // 可以赋值，但不能访问（非法前向引用）
        // System.out.println(value); // 编译错误
    }

    public static int value = 200;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(value); // 输出：200
    }
}

执行顺序示例：

class Parent {
    static {
        System.out.println("Parent static block");
    }
}

class Child extends Parent {
    static {
        System.out.println("Child static block");
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        new Child();
        // 输出：
        // Parent static block
        // Child static block
    }
}

线程安全保障

JVM内部使用同步机制确保<clinit>()方法在多线程环境下只执行一次：

public class DeadLoopClass {
    static {
        // 如果不加if，会导致其他线程永久阻塞
        if (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread() + " init");
            while (true) {
                // 模拟耗时初始化
            }
        }
    }
}

面试要点总结

  1. 五个阶段顺序：加载 → 验证 → 准备 → 解析 → 初始化（连接=验证+准备+解析）
  2. 准备阶段的零值赋值 vs 初始化阶段的实际值赋值是高频考点
  3. **() 方法**的线程安全特性：JVM保证只执行一次
  4. 父类先于子类初始化的原则
  5. 符号引用与直接引用的概念区分