Java类的加载、链接、初始化

Java 语言的类型可以分为两大类：基本类型（primitive types）和引用类型（reference types），基本类型是由Java 虚拟机预先定义好的。引用类型，Java 将其细分为四种：类、接口、数组类和泛型参数。由于泛型参数会在编译过程中被擦除（我会在专栏的第二部分详细介绍），因此 Java 虚拟机实际上只有前三种。在类、接口和数组类中，数组类是由 Java 虚拟机直接生成的，其他两种则有对应的字节流(如class文件)。

加载

Class 只有在必须要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:

• 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。
• 当调用类的静态方法时，即当使用了字节码 invokestatic 指令。
• 当使用类或接口的静态字段时 (final 常量除外), 比如，使用 getstatic 或者 putstatic 指令。
• 当使用 java.lang.reflect 包中的方法反射类的方法时。
• 当初始化子类时，要求先初始化父类。
• 作为启动虚拟机，含有 main 方法的那个类。

加载类处于类装载的第一个阶段。在加载类时，Java 虚拟机必须完成以下工作:

• 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。
• 创建 java.lang.Class 类的实例，表示该类型。

启动类加载器负责加载最为基础、最为重要的类，比如存放在 JRE 的 lib目录下 jar 包中的类（以及由虚拟机参数 -Xbootclasspath 指定的类）。除了启动类加载器之外，另外两个重要的类加载器是扩展类加载器（extension class loader）和应用类加载器（application class loader），均由 Java 核心类库提供。

扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。它负责加载相对次要、但又通用的类，比如存放在 JRE 的 lib/ext 目录下 jar 包中的类（以及由系统变量 java.ext.dirs 指定的类）。

应用类加载器的父类加载器则是扩展类加载器。它负责加载应用程序路径下的类。（这里的应用程序路径，便是指虚拟机参数 -cp/-classpath、系统变量 java.class.path 或环境变量CLASSPATH 所指定的路径。）默认情况下，应用程序中包含的类便是由应用类加载器加载的。

         加载采用双亲委派模型，每当一个类加载器接收到加载请求时，它会先将请求转发给父类加载器。在父类加载器没有找到所请求的类的情况下，该类加载器才会尝试去加载。

链接

链接指将创建成的类合并至 Java 虚拟机中，使之能够执行的过程。它可分为验证、准备以及解析三个阶段。

• 验证：确保被加载类能够满足 Java 虚拟机的约束条件。一般Java 编译器生成的类文件必然满足 Java 虚拟机的约束条件。字节码注入的例子之后会介绍。
• 准备：则是为被加载类的静态字段分配内存。构造其他跟类层次相关的数据结构，比如说用来实现虚方法的动态绑定的方法表。
• 解析：解析阶段的工作就是将类、接口、字段和方法的符号引用转为直接引用。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内存布局无关。在 class 文件被加载至 Java 虚拟机之前，这个类无法知道其他类及其方法、字段所对应的具体地址，甚至不知道自己方法、字段的地址。因此，每当需要引用这些成员时，Java 编译器会生成一个符号引用。在运行阶段，这个符号引用一般都能够无歧义地定位到具体目标上。例如，对于一个方法调用，编译器会生成一个包含目标方法所在类的名字、目标方法的名字、接收参数类型以及返回值类型的符号引用，来指代所要调用的方法。解析阶段的目的，正是将这些符号引用解析成为实际引用。如果符号引用指向一个未被加载的类，或者未被加载类的字段或方法，那么解析将触发这个类的加载（但未必触发这个类的链接以及初始化。）

初始化

要初始化一个静态字段，可以在声明时直接赋值，也可以在静态代码块中对其赋值。如果直接赋值的静态字段被 final 所修饰，并且它的类型是基本类型或字符串时，那么该字段便会被 Java 编译器标记成常量值（ConstantValue），其初始化直接由 Java 虚拟机完成。除此之外的直接赋值操作，以及所有静态代码块中的代码，则会被 Java 编译器置于同一方法中，并把它命名为 < clinit >。

初始化，便是为标记为常量值的字段赋值，以及执行 < clinit > 方法的过程。Java 虚拟机会通过加锁来确保类的 < clinit > 方法仅被执行一次。初始化触发的条件有：

1. 当虚拟机启动时，初始化用户指定的主类(main)；

2. 当遇到用以新建目标类实例的 new 指令时，初始化 new 指令的目标类；

3. 当遇到调用静态方法的指令时，初始化该静态方法所在的类；

4. 当遇到访问静态字段的指令时，初始化该静态字段所在的类；

public class Singleton {      private Singleton() {}      private static class LazyHolder {          static final Singleton INSTANCE = new Singleton();      }      public static Singleton getInstance() {          return LazyHolder.INSTANCE;              }  }

只有当调用Singleton.getInstance 时，程序才会访问 LazyHolder.INSTANCE，才会触发对LazyHolder 的初始化

5. 子类的初始化会触发父类的初始化；

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，会触发该接口的初始化；

7. 使用反射 API 对某个类进行反射调用时，初始化这个类；

8. 当初次调用 MethodHandle 实例时，初始化该 MethodHandle 指向的方法所在的类。

例子：

public class Singleton {      private Singleton() {}      private static class LazyHolder {          static final Singleton INSTANCE = new Singleton();      static {          System.out.println("LazyHolder.<clinit>");          }      }  public static Object getInstance(boolean flag) {      if (flag) return new LazyHolder[2];      return LazyHolder.INSTANCE;  }  public static void main(String[] args) {      getInstance(true);      System.out.println("----");      getInstance(false);  }  }

新建数组new LazyHolder[2]会加载元素类LazyHolder；不会初始化元素类。虚拟机必须知道（加载）有这个类，才能创建这个类的数组（容器），但是这个类并没有被使用到（没有达到初始化的条件），所以不会初始化，也不会链接元素类LazyHolder；

调用getInstance(false)的时候约等于告诉虚拟机，我要使用这个类了，你把这个类造好（链接），然后把static修饰的字符赋予变量（初始化）。