类加载过程详解

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一、类的生命周期

类的生命周期分为以下七个阶段：

1. 加载（Loading）

类加载器通过查找并加载类的字节码文件（通常是 .class 文件）到内存中。加载过程会将类的二进制数据读入并转换成 JVM 中可操作的形式。

2. 验证（Verification）

加载的字节码会经过验证，确保其符合 JVM 的规范。这个阶段确保类的正确性，不会对 JVM 安全性和稳定性构成威胁。验证包括文件格式验证、字节码验证等。

3. 准备（Preparation）

准备阶段为类的静态变量分配内存，并设置默认值（如 0、null）。此时，类的实例变量不会被初始化，只有静态变量会被初始化。

4. 解析（Resolution）

解析阶段将常量池中的符号引用转换为直接引用。例如，将方法名、字段名等符号映射为内存中的实际方法地址和字段地址。

5. 初始化（Initialization）

在初始化阶段，类的静态变量会被赋予实际的值，静态代码块也会被执行。这个过程是类的初始化，通常在类首次被使用时发生。

6. 使用（Using）

类已经初始化完成并且可以被使用。对象可以被创建，方法可以被调用，类的功能可以正常运行。

7. 卸载（Unloading）

类被卸载出 JVM 的内存中，这通常发生在类加载器被回收时。类的卸载是由垃圾回收机制触发的，且并非所有类都能被卸载，只有某些条件满足时，类才会被回收。

每个阶段都是类从加载到最终被回收的关键部分，确保类在 JVM 内的正确运行和管理。

二、类加载过程

类加载过程

类的加载过程包括三个主要阶段：加载、连接和初始化。连接过程又分为验证、准备和解析。下面将详细讲解每个阶段的内容。

加载

类加载的第一步是获取类的二进制字节流并将其转换为 JVM 可以使用的格式。具体步骤如下：

通过类的全名获取定义该类的二进制字节流。
将字节流代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构。
在内存中生成一个 Class 对象，作为方法区数据的访问入口。

加载是通过类加载器完成的。类加载器是 JVM 中的一个关键组件，它负责从不同的来源加载类字节码，比如文件系统、JAR 包、网络等。类加载器的选择由 双亲委派模型 决定，但我们也可以自定义类加载器来控制类加载的过程。

验证

验证是连接过程中的第一步，目的是确保类的字节码符合 JVM 的规范，避免执行恶意代码。验证的阶段包括：

文件格式验证：检查类文件的二进制格式是否符合规定。
元数据验证：检查类的字节码语义是否符合要求。
字节码验证：确保程序的语义正确，不会出现无法识别的指令。
符号引用验证：在解析符号引用时检查类、字段、方法等的合法性。

验证是可选的，在某些情况下，如生产环境中，使用 -Xverify:none 可以关闭验证以提高性能，但这并不推荐。

准备

准备阶段为类的静态变量分配内存并设置默认值。注意：

类变量（静态变量）会在方法区内存中分配，而 实例变量 则在对象实例化时分配。
默认值一般是数据类型的零值（如 0、null、false），除非静态变量是 final，此时其值会在准备阶段就被赋值。

解析

解析阶段将常量池中的符号引用替换为直接引用。符号引用是类、字段、方法等的描述信息，而直接引用是内存地址或偏移量。解析的目标是将符号引用转换为可以直接访问的内存地址。

初始化

初始化是类加载的最后一步，这一阶段会执行类的 <clinit>() 方法，这是 JVM 自动生成的静态初始化方法。<clinit>() 方法用于初始化类中的静态字段和执行静态代码块。初始化通常是在类首次被使用时触发的。

触发初始化的情况包括：

通过 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 指令使用类。
使用反射（例如 Class.forName()）时。
当类的父类未初始化时，初始化父类。
程序启动时，JVM 会初始化指定的主类。
使用 MethodHandle 和 VarHandle 时。

通过这些触发条件，JVM 确保只有在需要使用类时才进行初始化。

三、类卸载

类卸载是指类的 Class 对象被垃圾回收器（GC）回收，从而释放相关资源。类的卸载并非自动发生，必须满足以下三个条件：

1. 类的所有实例对象已被 GC

类的实例对象必须都已被垃圾回收，即堆内存中不再存在该类的任何对象。否则，类的 Class 对象无法被卸载。

2. 类没有被其他任何地方引用

如果类的 Class 对象在其他地方被引用，类就无法被卸载。这意味着没有活跃的引用指向该类，包括其他类或类加载器。

3. 类加载器实例已被 GC

类的加载器必须也被垃圾回收。如果类加载器的实例仍然存在，类就无法被卸载。Java 自带的类加载器（如 BootstrapClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader）通常不会被卸载，因为它们在 JVM 生命周期内是常驻的。而自定义的类加载器则可能在没有引用时被回收，从而卸载加载的类。

关键点

JVM 内置的类加载器加载的类一般不会被卸载，因为它们的加载器（如 BootstrapClassLoader）是 JVM 的一部分，不会被 GC 回收。
自定义类加载器加载的类在类加载器被回收后，才可能被卸载。

因此，类卸载的实现和 JVM 的类加载器的生命周期紧密相关，只有当加载类的类加载器不再被使用并被 GC 回收时，才可能卸载类。