类加载过程的各个阶段（加载、验证、准备、解析、初始化）分别做了什么？

Jonas24
26 阅读4分钟

在 JVM 中，类加载过程是将类从其二进制表示形式（通常是 .class 文件）加载到内存中，并准备好供程序使用的过程。这个过程可以分为以下几个阶段：加载、验证、准备、解析和初始化。每个阶段都有其特定的任务和作用。

1. 加载（Loading）

任务：

  • 查找并导入类的二进制数据。
  • 将这些二进制数据转换为 JVM 内部的数据结构（即 Class 对象）。
  • 在方法区中创建一个代表该类的 Class 对象。

细节：

  • 通过类加载器（ClassLoader）来查找类文件并读取其内容。
  • 类加载器可以是系统提供的，也可以是用户自定义的。

2. 验证（Verification）

任务：

  • 确保类的二进制数据符合 JVM 规范，没有非法的代码，保证字节码的正确性和安全性。

细节：

  • 文件格式验证：验证字节流是否符合 Class 文件格式规范。
  • 元数据验证：验证类的元数据（如类的继承关系）是否符合 Java 语言规范。
  • 字节码验证：通过数据流和控制流分析，确保字节码不会危害 JVM 的安全。
  • 符号引用验证：确保常量池中的符号引用能被正确解析。

3. 准备（Preparation）

任务：

  • 为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值。

细节：

  • 这一步并不包括静态变量的赋值操作，只是将其初始化为默认值（如 0、null 等）。
  • 例如，static int x = 5; 在准备阶段，x 仅被初始化为 0，赋值操作将在初始化阶段进行。

4. 解析（Resolution）

任务：

  • 将常量池中的符号引用转换为直接引用。

细节：

  • 符号引用是指以字符串形式描述的引用（如类名、方法名），而直接引用是指可以直接指向目标的指针或句柄。
  • 解析包括类或接口解析、字段解析、类方法解析、接口方法解析等。

5. 初始化（Initialization）

任务：

  • 执行类的初始化代码，包括静态变量的赋值操作和静态代码块的执行。

细节：

  • 这是类加载过程的最后一步，也是类被正式使用前的最后准备。
  • 如果类包含静态代码块或静态变量赋值操作，这些代码将在初始化阶段执行。
  • 初始化阶段是类加载过程中唯一会执行 Java 代码的阶段。

总结

类加载过程的各个阶段分别完成了以下任务：

  1. 加载（Loading）：查找并导入类的二进制数据，创建 Class 对象。
  2. 验证（Verification）：确保类的二进制数据符合 JVM 规范，保证安全性。
  3. 准备（Preparation）：为类的静态变量分配内存，并初始化为默认值。
  4. 解析（Resolution）：将符号引用转换为直接引用。
  5. 初始化（Initialization）：执行类的初始化代码，包括静态变量赋值和静态代码块。

通过这些步骤，JVM 确保类在加载到内存中时是有效且安全的，并为其后续的使用做好了准备。

符号引用

符号引用（Symbolic Reference）是Java虚拟机中一种间接引用方式，它在编译时并不直接指向内存中的具体地址，而是通过符号来引用目标。符号引用在类加载和链接过程中会被解析为直接引用。

以下是一个简单的示例，展示了符号引用的概念：

假设有两个类：MainClass 和 HelperClass。

HelperClass.java

public class HelperClass {
    public void displayMessage() {
        System.out.println("Hello from HelperClass!");
    }
}

MainClass.java

public class MainClass {
    public static void main(String[] args) {
        HelperClass helper = new HelperClass();
        helper.displayMessage();
    }
}

在编译过程中，MainClass 中对 HelperClass 的引用是通过符号引用来实现的。具体来说：

  1. 符号引用：

    • 在 MainClass 的字节码中，对 HelperClass 类的引用和对 displayMessage 方法的引用都是通过符号引用来表示的。这些符号引用在编译时记录了类名、方法名和方法描述符等信息，但并没有具体的内存地址。

  2. 类加载和链接：

    • 当 JVM 运行 MainClass 时，它会通过类加载器来加载 HelperClass。
    • 在链接阶段，符号引用（如 HelperClass 类名和 displayMessage 方法名）会被解析为直接引用，即具体的内存地址或方法指针。

字节码示例

编译后的 MainClass 字节码（使用 javap -c MainClass 查看）可能类似于：

public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
     0: new           #2                  // class HelperClass
     3: dup
     4: invokespecial #3                  // Method HelperClass."<init>":()V
     7: astore_1
     8: aload_1
     9: invokevirtual #4                  // Method HelperClass.displayMessage:()V
    12: return

在上面的字节码中，可以看到符号引用：

  • #2 是对 HelperClass 类的符号引用。
  • #3 是对 HelperClass 构造方法的符号引用。
  • #4 是对 displayMessage 方法的符号引用。

这些符号引用在运行时会被解析为具体的内存地址或方法指针，从而实现对 HelperClass 和 displayMessage 方法的调用。

通过这个示例，可以看到符号引用如何在编译时表示类和方法的引用，并在运行时被解析为具体的直接引用。

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