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本系列专栏：JVM专栏

前言

前面文章我们说了Java类要能被JVM使用要经过3个步骤：加载、链接和初始化，其中加载我们上一篇文章介绍过了，简单一句话概括就是利用类加载器把字节码文件加载到JVM内存中，在方法区中保存类的结构，在堆中创建Class对象。

那本篇文章我们继续来说剩下的2个步骤：链接和初始化。

正文

链接

链接这里又分为3个小步骤：验证、准备和解析，我们以此来分析一下这3个步骤的作用。

验证

验证阶段的目的，是确保被加载的类能够满足JVM的约束条件，前面我们说过在加载阶段，会把类的信息加载到JVM的方法区，而后续操作就直接从方法区里来获取信息，而不用再操作字节码，所以一定要确保加载进来的类是符合JVM的约束条件的。

这里验证的内容还是比较多的，不过大致可以分为下面几种：

文件格式验证，保证输入的字节流能正确地解析并且存储到方法区中，比如是否是以魔树(0XCAFEBABE)开头，主、次版本号在不在当前JVM处理范围内等；这些信息都是保存在字节流文件中，后续文章我们来专门来说一下这个字节流class文件。
元数据验证，保证不存在不符合Java语言规范地元数据信息；比如这个类是否有父类，因为除了object类都应该有父类；比如这个类的父类是不是被final修饰的类等等这种不符合Java语言规范的错误。
符号引用验证，JVM将符号引用转换成实际引用时，进行的匹配性校验，这个是啥意思呢我们的字节码文件中的引用都是符号引用，而不是真正地指向实际引用，所以在进行真的把符号引用转换成实际引用前需要进行简单验证。比如符号引用中通过全限定名是否能够找到对应的类，在指定类中是否存在符合方法的字段描述等信息。

准备

准备阶段的目的是为被加载类的静态字段分配内存并且设置初值，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

注意这个阶段进行内存分配的仅仅包括static修饰的类变量，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时伴随着对象一起分配在Java堆中。

其次，这里所说的初值，就是数据类型即前面说的基础类型的零值，假设一个类的变量定义如下：

public static int value = 11

那变量value在准备阶段过后初始值是0，而不是11；

而把value的值赋值为11的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器<clinit>方法中，而这个方法的调用是在初始化阶段才会执行。

这里也有个特殊情况，假如类字段是ConstantValue属性，即static fianl修饰，比如下面代码：

public static final int value = 12

编译时Javac会将value生成ConstantValue属性，在准备阶段就会把value设置为12。

解析

解析阶段是JVM将常量池内的符号引用替换为实际引用的过程，这是啥意思呢

在class文件被加载至JVM之前，这个类无法知道其他类以及其方法、字段对应的具体地址，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。

比如对于一个方法的调用，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、接受参数类型以及返回值类型的符号引用，来代指要调用的方法，而解析阶段的目的就是将这些符号引用解析为实际引用。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。

而这个由符号引用找到实际引用的过程还是比较复杂的，我们后面文章再介绍。

初始化

初始化是类加载的最后一步，也是特别重要的一步，我们来仔细梳理一下。

<clinit>函数

在Java代码中，我们要初始化一个静态字段，可以在声明时直接赋值，或者在静态代码块中进行赋值；在前面链接步骤中的准备阶段我们说过：如果直接赋值的静态字段被final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编译器标记为常量值(ConstantValue)，在准备阶段由Java虚拟机完成赋值。

而除了上述情况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编译器放入同一个方法中，并且命名为<clinit>。

我们来看个简单例子：

public class TestC {
    //常量值
    public static final int a = 100;
    //静态字段
    public static int b = 90;
    //成员变量
    public int c = 90;
}

这里定义了3个变量a、b、c，其中a是常量，b是静态字段，c是成员变量，按照Java语言规范，a和b都可以直接通过类名来访问，所以在类的初始化时a和b的值就应该赋值完成；而a是常量，在准备阶段即完成赋值，而b是静态字段赋值则放入了上面说的<clinit>中来进行。

public static void main(String[] args){
    //a和b可以直接类名访问
    int a = TestC.a;
    int b = TestC.b;
    //常量值不能再被赋值 这句错误
    TestC.a = 1000;
    //静态字段可以
    TestC.b = 1000;
}

好了，既然我们知道静态字段的赋值在<clinit>函数中，那类的初始化何时会被触发呢

初始化触发情况

下面列举一些会触发类的初始化操作的行为。

1、当JVM启动时，初始化用户指定的主类；

2、当遇到用以新建目标实例的new指令时，初始化new指定的明白类；

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指令时，初始化该静态字段所在的类；

5、子类的初始化会触发父类的初始化；

6、使用反射API对某个类进行反射调用时，初始化这个类；

这些常见的会触发类的初始化操作必须要熟悉，其中调用静态方法、静态字段等都有很好的使用场景。

静态内部类单例原理

这里同时有个关键点，就是为了确保初始化只会执行一次，这个<clinit>方法是线程安全的，利用这个特性我们可以来实现一个大名鼎鼎的单例，比如下面代码：

public class Singleton {
      //私有构造函数  
      private Singleton() {}
      //内部类
      private static class LazyHolder {
        static Singleton INSTANCE = new Singleton();
      }
      //调用
      public static Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
      }
}

这里getInstance()是静态方法，当调用该方法时，其值是返回LazyHolder类的静态字段，这时根据上面触发条件中的第4条会触发LazyHolder类的初始化。

所以外面不管在哪个线程访问getInstance()时，当发现LazyHolder没有被初始化时，会调用其线程安全的<clinit>方法，然后对INSTANCE进行赋值，再当访问时，由于初始化完成，就会返回INSTANCE变量了，所以这种是线程安全的懒加载单例模式。

总结

本章内容主要介绍了JVM加载类时的后面2大步骤：链接(验证、准备、解析)和初始化，其中解析部分内容较多，我们后面再说。而初始化，则是为标记为常量值的字段赋值以及执行线程安全的<clinit>方法，利用这个特性可以实现单例的延迟初始化。

JVM中Java类的链接和初始化

前言

正文

链接

验证

准备

解析

初始化

<clinit>函数

初始化触发情况

静态内部类单例原理

总结