我們知道 Java 語言的類型可以分為兩大類：基本類型（primitive types）和引用類型（reference types）。在上一篇中，我已經詳細介紹過了 Java 的基本類型，它們是由 Java 虛擬機預先定義好的。

  至於另一大類引用類型，Java 將其細分為四種：類、接口、數組類和泛型參數。由於泛型參數會在編譯過程中被擦除（會在後面的博文進行詳細介紹），因此 Java 虛擬機實際上只有前三種。在類、接口和數組類中，數組類是由 Java 虛擬機直接生成的，其他兩種則有對應的字節流。

  說到字節流，最常見的形式要屬由 Java 編譯器生成的 class 文件。除此之外，我們也可以在程序內部直接生成，或者從網絡中獲取（例如網頁中內嵌的小程序 Java applet）字節流。這些不同形式的字節流，都會被加載到 Java 虛擬機中，成為類或接口。為了敘述方便，下面我就用“類”來統稱它們。無論是直接生成的數組類，還是加載的類，Java 虛擬機都需要對其進行鏈接和初始化。接下來，我會詳細給你介紹一下每個步驟具體都在幹些什麽。
 

二、加載
加載，是指查找字節流，並且據此創建類的過程。前面提到，對於數組類來說，它並沒有對應的字節流，而是由 Java 虛擬機直接生成的。對於其他的類來說，Java 虛擬機則需要借助類加載器來完成查找字節流的過程。

  以蓋房子為例，村裏的 Tony 要蓋個房子，那麽按照流程他得先找個建築師，跟他說想要設計一個房型，比如說“一房、一廳、四衛”。你或許已經聽出來了，這裏的房型相當於類，而建築師，就相當於類加載器。

  村裏有許多建築師，他們等級森嚴，但有著共同的祖師爺，叫啟動類加載器（boot class loader）。啟動類加載器是由 C++ 實現的，沒有對應的 Java 對象，因此在 Java 中只能用 null 來指代。換句話說，祖師爺不喜歡像 Tony 這樣的小角色來打擾他，所以誰也沒有祖師爺的聯系方式。

  除了啟動類加載器之外，其他的類加載器都是 java.lang.ClassLoader 的子類，因此有對應的 Java 對象。這些類加載器需要先由另一個類加載器，比如說啟動類加載器，加載至 Java 虛擬機中，方能執行類加載。

  村裏的建築師有一個潛規則，就是接到單子自己不能著手幹，得先給師傅過過目。師傅不接手的情況下，才能自己來。在 Java 虛擬機中，這個潛規則有個特別的名字，叫雙親委派模型。每當一個類加載器接收到加載請求時，它會先將請求轉發給父類加載器。在父類加載器沒有找到所請求的類的情況下，該類加載器才會嘗試去加載。

  在 Java 9 之前，啟動類加載器負責加載最為基礎、最為重要的類，比如存放在 JRE 的 lib 目錄下 jar 包中的類（以及由虛擬機參數 -Xbootclasspath 指定的類）。除了啟動類加載器之外，另外兩個重要的類加載器是擴展類加載器（extension class loader）和應用類加載器（application class loader），均由 Java 核心類庫提供。

  擴展類加載器的父類加載器是啟動類加載器。它負責加載相對次要、但又通用的類，比如存放在 JRE 的 lib/ext 目錄下 jar 包中的類（以及由系統變量 java.ext.dirs 指定的類）。

  應用類加載器的父類加載器則是擴展類加載器。它負責加載應用程序路徑下的類。（這裏的應用程序路徑，便是指虛擬機參數 -cp/-classpath、系統變量 java.class.path 或環境變量 CLASSPATH 所指定的路徑。）默認情況下，應用程序中包含的類便是由應用類加載器加載的。

  Java 9 引入了模塊系統，並且略微更改了上述的類加載器1。擴展類加載器被改名為平臺類加載器（platform class loader）。Java SE 中除了少數幾個關鍵模塊，比如說 java.base 是由啟動類加載器加載之外，其他的模塊均由平臺類加載器所加載。

  除了由 Java 核心類庫提供的類加載器外，我們還可以加入自定義的類加載器，來實現特殊的加載方式。舉例來說，我們可以對 class 文件進行加密，加載時再利用自定義的類加載器對其解密。

  除了加載功能之外，類加載器還提供了命名空間的作用。這個很好理解，打個比方，咱們這個村不講究版權，如果你剽竊了另一個建築師的設計作品，那麽只要你標上自己的名字，這兩個房型就是不同的。

  在 Java 虛擬機中，類的唯一性是由類加載器實例以及類的全名一同確定的。即便是同一串字節流，經由不同的類加載器加載，也會得到兩個不同的類。在大型應用中，我們往往借助這一特性，來運行同一個類的不同版本。
 

三、鏈接
鏈接，是指將創建成的類合並至 Java 虛擬機中，使之能夠執行的過程。它可分為驗證、準備以及解析三個階段。

  驗證階段的目的，在於確保被加載類能夠滿足 Java 虛擬機的約束條件。這就好比 Tony 需要將設計好的房型提交給市政部門審核。只有當審核通過，才能繼續下面的建造工作。

  通常而言，Java 編譯器生成的類文件必然滿足 Java 虛擬機的約束條件。因此，這部分我留到講解字節碼註入時再詳細介紹。

  準備階段的目的，則是為被加載類的靜態字段分配內存。Java 代碼中對靜態字段的具體初始化，則會在稍後的初始化階段中進行。過了這個階段，咱們算是蓋好了毛坯房。雖然結構已經完整，但是在沒有裝修之前是不能住人的。除了分配內存外，部分 Java 虛擬機還會在此階段構造其他跟類層次相關的數據結構，比如說用來實現虛方法的動態綁定的方法表。

  在 class 文件被加載至 Java 虛擬機之前，這個類無法知道其他類及其方法、字段所對應的具體地址，甚至不知道自己方法、字段的地址。因此，每當需要引用這些成員時，Java 編譯器會生成一個符號引用。在運行階段，這個符號引用一般都能夠無歧義地定位到具體目標上。

  舉例來說，對於一個方法調用，編譯器會生成一個包含目標方法所在類的名字、目標方法的名字、接收參數類型以及返回值類型的符號引用，來指代所要調用的方法。

  解析階段的目的，正是將這些符號引用解析成為實際引用。如果符號引用指向一個未被加載的類，或者未被加載類的字段或方法，那麽解析將觸發這個類的加載（但未必觸發這個類的鏈接以及初始化。）

  如果將這段話放在蓋房子的語境下，那麽符號引用就好比“Tony 的房子”這種說法，不管它存在不存在，我們都可以用這種說法來指代 Tony 的房子。實際引用則好比實際的通訊地址，如果我們想要與 Tony 通信，則需要啟動蓋房子的過程。

  Java 虛擬機規範並沒有要求在鏈接過程中完成解析。它僅規定了：如果某些字節碼使用了符號引用，那麽在執行這些字節碼之前，需要完成對這些符號引用的解析。
 

四、初始化
在 Java 代碼中，如果要初始化一個靜態字段，我們可以在聲明時直接賦值，也可以在靜態代碼塊中對其賦值。

  如果直接賦值的靜態字段被 final 所修飾，並且它的類型是基本類型或字符串時，那麽該字段便會被 Java 編譯器標記成常量值（ConstantValue），其初始化直接由 Java 虛擬機完成。除此之外的直接賦值操作，以及所有靜態代碼塊中的代碼，則會被 Java 編譯器置於同一方法中，並把它命名為 < clinit >。

  類加載的最後一步是初始化，便是為標記為常量值的字段賦值，以及執行 < clinit > 方法的過程。Java 虛擬機會通過加鎖來確保類的 < clinit > 方法僅被執行一次。

  只有當初始化完成之後，類才正式成為可執行的狀態。這放在我們蓋房子的例子中就是，只有當房子裝修過後，Tony 才能真正地住進去。

  那麽，類的初始化何時會被觸發呢？JVM 規範枚舉了下述多種觸發情況：

當虛擬機啟動時，初始化用戶指定的主類；
當遇到用以新建目標類實例的 new 指令時，初始化 new 指令的目標類；
當遇到調用靜態方法的指令時，初始化該靜態方法所在的類；
當遇到訪問靜態字段的指令時，初始化該靜態字段所在的類；
子類的初始化會觸發父類的初始化；
如果一個接口定義了 default 方法，那麽直接實現或者間接實現該接口的類的初始化，會觸發該接口的初始化；
使用反射 API 對某個類進行反射調用時，初始化這個類；
當初次調用 MethodHandle 實例時，初始化該 MethodHandle 指向的方法所在的類。
public class Singleton {
private Singleton() {}
private static class LazyHolder {
static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance() {
return LazyHolder.INSTANCE;
}
}
上面這段代碼是在著名的單例延遲初始化例子中2，只有當調用 Singleton.getInstance 時，程序才會訪問 LazyHolder.INSTANCE，才會觸發對 LazyHolder 的初始化（對應第 4 種情況），繼而新建一個 Singleton 的實例。由於類初始化是線程安全的，並且僅被執行一次，因此程序可以確保多線程環境下有且僅有一個 Singleton 實例。

五、總結與實踐
今天我介紹了 Java 虛擬機將字節流轉化為 Java 類的過程。這個過程可分為加載、鏈接以及初始化三大步驟。

  加載是指查找字節流，並且據此創建類的過程。加載需要借助類加載器，在 Java 虛擬機中，類加載器使用了雙親委派模型，即接收到加載請求時，會先將請求轉發給父類加載器。

  鏈接，是指將創建成的類合並至 Java 虛擬機中，使之能夠執行的過程。鏈接還分驗證、準備和解析三個階段。其中，解析階段為非必須的。

  初始化，則是為標記為常量值的字段賦值，以及執行 < clinit > 方法的過程。類的初始化僅會被執行一次，這個特性被用來實現單例的延遲初始化。

六、小練習
今天的小練習，你可以來驗證一下本篇中的理論知識。

   通過 JVM 參數 -verbose:class 來打印類加載的先後順序，並且在 LazyHolder 的初始化方法中打印特定字樣。在命令行中運行下述指令（不包含提示符 $）：

$ echo ‘
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);
}
}‘ > Singleton.java
$ javac Singleton.java
$ java -verbose:class Singleton
問題 1：新建數組（第 11 行）會導致 LazyHolder 的加載嗎？會導致它的初始化嗎？

在命令行中運行下述指令（不包含提示符 $）：

$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jdis.Main Singleton\$LazyHolder.class > Singleton\$LazyHolder.jasm.1
$ awk ‘NR==1,/stack 1/{sub(/stack 1/, "stack 0")} 1‘ Singleton\$LazyHolder.jasm.1 > Singleton\$LazyHolder.jasm
$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jasm.Main Singleton\$LazyHolder.jasm
$ java -verbose:class Singleton
問題 2：新建數組會導致 LazyHolder 的鏈接嗎？

《深度拆解Java虛擬機》之Java虛擬機是如何加載Java類的？