一、JVM的類載入 Java 虛擬機器中的類載入，從 class 位元組碼檔案到記憶體中的類，按先後順序需要經過載入、連結以及初始化三大步驟。其中，連結過程中同樣需要驗證；而記憶體中的類沒有經過初始化，同樣不能使用。那麼，是否所有的 Java 類都需要經過這幾步呢？

  我們知道 Java 語言的型別可以分為兩大類：基本型別（primitive types）和引用型別（reference types）。在上一篇中，我已經詳細介紹過了 Java 的基本型別，它們是由 Java 虛擬機器預先定義好的。

  至於另一大類引用型別，Java 將其細分為四種：類、介面、陣列類和泛型引數。由於泛型引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 虛擬機器實際上只有前三種。在類、介面和陣列類中，陣列類是由 Java 虛擬機器直接生成的，其他兩種則有對應的位元組流。

  說到位元組流，最常見的形式要屬由 Java 編譯器生成的 class 檔案。除此之外，我們也可以在程式內部直接生成，或者從網路中獲取（例如網頁中內嵌的小程式 Java applet）位元組流。這些不同形式的位元組流，都會被載入到 Java 虛擬機器中，成為類或介面。為了敘述方便，下面我就用“類”來統稱它們。無論是直接生成的陣列類，還是載入的類，Java 虛擬機器都需要對其進行連結和初始化。接下來，我會詳細給你介紹一下每個步驟具體都在幹些什麼。
 

二、載入 載入，是指查詢位元組流，並且據此建立類的過程。前面提到，對於陣列類來說，它並沒有對應的位元組流，而是由 Java 虛擬機器直接生成的。對於其他的類來說，Java 虛擬機器則需要藉助類載入器來完成查詢位元組流的過程。

  以蓋房子為例，村裡的 Tony 要蓋個房子，那麼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，這裡的房型相當於類，而建築師，就相當於類載入器。

  村裡有許多建築師，他們等級森嚴，但有著共同的祖師爺，叫啟動類載入器（boot class loader）。啟動類載入器是由 C++ 實現的，沒有對應的 Java 物件，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絡方式。

  除了啟動類載入器之外，其他的類載入器都是 java.lang.ClassLoader 的子類，因此有對應的 Java 物件。這些類載入器需要先由另一個類載入器，比如說啟動類載入器，載入至 Java 虛擬機器中，方能執行類載入。

  村裡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 虛擬機器中，這個潛規則有個特別的名字，叫雙親委派模型。每當一個類載入器接收到載入請求時，它會先將請求轉發給父類載入器。在父類載入器沒有找到所請求的類的情況下，該類載入器才會嘗試去載入。

  在 Java 9 之前，啟動類載入器負責載入最為基礎、最為重要的類，比如存放在 JRE 的 lib 目錄下 jar 包中的類（以及由虛擬機器引數 -Xbootclasspath 指定的類）。除了啟動類載入器之外，另外兩個重要的類載入器是擴充套件類載入器（extension class loader）和應用類載入器（application class loader），均由 Java 核心類庫提供。

  擴充套件類載入器的父類載入器是啟動類載入器。它負責載入相對次要、但又通用的類，比如存放在 JRE 的 lib/ext 目錄下 jar 包中的類（以及由系統變數 java.ext.dirs 指定的類）。

  應用類載入器的父類載入器則是擴充套件類載入器。它負責載入應用程式路徑下的類。（這裡的應用程式路徑，便是指虛擬機器引數 -cp/-classpath、系統變數 java.class.path 或環境變數 CLASSPATH 所指定的路徑。）預設情況下，應用程式中包含的類便是由應用類載入器載入的。

  Java 9 引入了模組系統，並且略微更改了上述的類載入器1。擴充套件類載入器被改名為平臺類載入器（platform class loader）。Java SE 中除了少數幾個關鍵模組，比如說 java.base 是由啟動類載入器載入之外，其他的模組均由平臺類載入器所載入。

  除了由 Java 核心類庫提供的類載入器外，我們還可以加入自定義的類載入器，來實現特殊的載入方式。舉例來說，我們可以對 class 檔案進行加密，載入時再利用自定義的類載入器對其解密。

  除了載入功能之外，類載入器還提供了名稱空間的作用。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，那麼只要你標上自己的名字，這兩個房型就是不同的。

  在 Java 虛擬機器中，類的唯一性是由類載入器例項以及類的全名一同確定的。即便是同一串位元組流，經由不同的類載入器載入，也會得到兩個不同的類。在大型應用中，我們往往藉助這一特性，來運行同一個類的不同版本。
 

三、連結 連結，是指將建立成的類合併至 Java 虛擬機器中，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，在於確保被載入類能夠滿足 Java 虛擬機器的約束條件。這就好比 Tony 需要將設計好的房型提交給市政部門稽核。只有當稽核通過，才能繼續下面的建造工作。

  通常而言，Java 編譯器生成的類檔案必然滿足 Java 虛擬機器的約束條件。因此，這部分我留到講解位元組碼注入時再詳細介紹。

  準備階段的目的，則是為被載入類的靜態欄位分配記憶體。Java 程式碼中對靜態欄位的具體初始化，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。除了分配記憶體外，部分 Java 虛擬機器還會在此階段構造其他跟類層次相關的資料結構，比如說用來實現虛方法的動態繫結的方法表。

  在 class 檔案被載入至 Java 虛擬機器之前，這個類無法知道其他類及其方法、欄位所對應的具體地址，甚至不知道自己方法、欄位的地址。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。在執行階段，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，對於一個方法呼叫，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、接收引數型別以及返回值型別的符號引用，來指代所要呼叫的方法。

  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載入的類，或者未被載入類的欄位或方法，那麼解析將觸發這個類的載入（但未必觸發這個類的連結以及初始化。）

  如果將這段話放在蓋房子的語境下，那麼符號引用就好比“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 通訊，則需要啟動蓋房子的過程。

  Java 虛擬機器規範並沒有要求在連結過程中完成解析。它僅規定了：如果某些位元組碼使用了符號引用，那麼在執行這些位元組碼之前，需要完成對這些符號引用的解析。
 

四、初始化 在 Java 程式碼中，如果要初始化一個靜態欄位，我們可以在宣告時直接賦值，也可以在靜態程式碼塊中對其賦值。

  如果直接賦值的靜態欄位被 final 所修飾，並且它的型別是基本型別或字串時，那麼該欄位便會被 Java 編譯器標記成常量值（ConstantValue），其初始化直接由 Java 虛擬機器完成。除此之外的直接賦值操作，以及所有靜態程式碼塊中的程式碼，則會被 Java 編譯器置於同一方法中，並把它命名為 < clinit >。

  類載入的最後一步是初始化，便是為標記為常量值的欄位賦值，以及執行 < clinit > 方法的過程。Java 虛擬機器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。

  那麼，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：

當虛擬機器啟動時，初始化使用者指定的主類； 當遇到用以新建目標類例項的 new 指令時，初始化 new 指令的目標類； 當遇到呼叫靜態方法的指令時，初始化該靜態方法所在的類； 當遇到訪問靜態欄位的指令時，初始化該靜態欄位所在的類； 子類的初始化會觸發父類的初始化； 如果一個介面定義了 default 方法，那麼直接實現或者間接實現該介面的類的初始化，會觸發該介面的初始化； 使用反射 API 對某個類進行反射呼叫時，初始化這個類； 當初次呼叫 MethodHandle 例項時，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; } } 上面這段程式碼是在著名的單例延遲初始化例子中2，只有當呼叫 Singleton.getInstance 時，程式才會訪問 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 的例項。由於類初始化是執行緒安全的，並且僅被執行一次，因此程式可以確保多執行緒環境下有且僅有一個 Singleton 例項。

五、總結與實踐 今天我介紹了 Java 虛擬機器將位元組流轉化為 Java 類的過程。這個過程可分為載入、連結以及初始化三大步驟。

  載入是指查詢位元組流，並且據此建立類的過程。載入需要藉助類載入器，在 Java 虛擬機器中，類載入器使用了雙親委派模型，即接收到載入請求時，會先將請求轉發給父類載入器。

  連結，是指將建立成的類合併至 Java 虛擬機器中，使之能夠執行的過程。連結還分驗證、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欄位賦值，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 引數 -verbose:class 來列印類載入的先後順序，並且在 LazyHolder 的初始化方法中列印特定字樣。在命令列中執行下述指令（不包含提示符 $）：

echo′publicclassSingletonprivateSingleton()privatestaticclassLazyHolderstaticfinalSingletonINSTANCE=newSingleton();staticSystem.out.println(“LazyHolder.”);publicstaticObjectgetInstance(booleanflag)if(flag)returnnewLazyHolder[2];returnLazyHolder.INSTANCE;publicstaticvoidmain(String[]args)getInstance(true);System.out.println(“—−“);getInstance(false);′>Singleton.java$ech{o}^{\prime }publicclassSingleton{privateSingleton()privatestaticclassLazyHolderstaticfinalSingletonINSTANCE=newSingleton();staticSystem.out.println(“LazyHolder.”);publicstaticObjectgetInstance(booleanflag)if(flag)returnnewLazyHolder[2];returnLazyHolder.INSTANCE;publicstaticvoidmain(String[]args)getInstance(true);System.out.println(“—-“);getInstance(false);}^{\prime }>Singleton.java$ javac Singleton.java $ java -verbose:class Singleton 問題 1：新建陣列（第 11 行）會導致 LazyHolder 的載入嗎？會導致它的初始化嗎？

在命令列中執行下述指令（不包含提示符 $）：

java−cp/path/to