摘要：这也许是全网”最大“、”最细“、“最深”的java类加载原理图解了。

本文分享自华为云社区《【读书会第12期】这也许是全网”最大“、”最细“、“最深”的java类加载原理图解了》，作者： breakDawn。

关于类初始化的时机和误区

书籍的第一步部分上来就先讲了类初始化的时机，整理成图片如下：

看起来非常多，很难记住，很折磨。

个人认为，书籍把这一部分放到章节的最前面不太合理，曾经一度让我把上面的这些事件，理解成了类加载的时机，也不懂这些规则的缘由（根本原因还是此时读者对类加载的理解不够深。）

先贴一下类加载和类初始化的区别：

• 类加载概念：将class文件加载到jvm中并生成class对象，并根据情况做初始化。
• 类初始化概念：调用类class文件中默认存在的<cinit>类初始化方法。

而我们容易产生误解的原因，是因为书中没有这句话：所谓的类初始化时机，只是针对cinit类初始化方法的调用，并不是指的类加载时机！

以上图中红色的部分为例：

这里书籍中没有解释这3个规则的原因，在没理解原理前，强行记忆这3条是没有任何意义的。我认为是作者的失误。

在这里我挑其中一个做补充：

“使用类里的static final 常量，不会触发初始化”
想要理解这个规则，需要先理解class文件原理。
对于类的static final常量字段，它的常量值是存放在字段的constanValue属性中。

正因为如此，static final常量并不需要通过cinit方法中的指令来完成赋值。

所以也就没有必要在这时候调用<cinit>方法了。

因此对于“儿子类调用父类的静态成员，不用对儿子类做类初始化”也是一个道理，儿子类的类静态成员没有被使用到，没必要做cinit。

对于上面的分析，可以浓缩为一句话：

“如果我们急需使用static成员，且这个成员的值是要通过cinit方法赋值的，那么我们才做cinit初始化”

新的疑问：那为什么仅仅是new一个对象时，也一定要做cinit类初始化呢？
假设此时我还没用到static成员，那么new一个对象时，是否可以省去cinit，等用到静态成员的时候，再去触发cinit？

这涉及到了类初始化的另一个容易被忽视的点：“cinit类初始化方法，并不仅仅是做类成员的赋值，其实还可能包含一些初始化行为调用”，这可以是资源的启动或者加载等类对象必须要用到的内容。

因此在一切可能触发类对象实际行为前，必须触发cinit避免出错。

所以刚才的长篇大论，可以再次进行优化，浓缩为：
“当需要用到static成员的初始赋值，或者对类对象进行正式使用时，才会触发cinit类初始化，目的是为了保证类对象或者类成员的正确使用”
拿着这一句话，去回看前面的类初始化时机的触发时机和不触发的时机时，相信你就会有更深的理解了，甚至也不需要强行去记忆每一条规则了。

有误导的“加载三部曲”

有一个很经典的回答，叫做类加载三部曲：加载、连接、初始化
好像类加载过程就是这三步按照顺序串行拼装起来的。

实际上这3个过程是存在交叉的！
只能说，“最早发生”的时机，是按照这个顺序发生，但是中间加载过程是有很多的，具体后面会结合我画的图以及原理解释进行呈现。

加载：不仅仅是读取字节流

对于加载，很容易只理解成只是“从文件里加载二进制字节到内存”。

这个过程显然是必须最先执行的，否则连类的基本信息都获取不到。

可以看到这个过程很灵活，只要你从你能想到的地方拿到字节流即可，任意形式都行。

然而，对于“加载”，除了获取字节流，实际上还包含了“把字节流转成方法区里的数据结构，进行存储defineClass”、“生成一个class对象，存储在堆中”这两步。

这2步是穿插在连接过程中的。

比如字节流转数据结构的过程，必须在确认字节流的正确性之后完成。

而生成class对象同理，符合一个class对象的条件时，才能将其在堆中生成。

连接

连接过程可以说是最难记住的一个过程， 里面包含了各种校验啊之类的，让人摸不清头脑。这里会通过更细致的解释和图解，让你明白连接过程究竟做了什么。

首先连接过程分为 验证、准备和解析，“解析”并不是连接的最后一步，而是在验证过程中实时发生的！。 下文会为你详细解释为什么。

验证

文件格式校验（class文件对不对）

注意这里的校验，都是一些最简单的校验，相当于无需做太多的语法分析操作等操作， 都是基于class文件格式定义进行的基础校验。

然而如果对加载的文件有充分的自信，来源可靠，那么确实可以省去这个步骤，提升连接效率，因此会有一个-Xverify:none的选项供使用。

元数据验证（我的父亲对不对）

这里验证了class文件里面继承特性相关的重要信息，例如继承关系是否合理、是否实现了抽象类或接口的方法

注意，这个元数据验证的过程，会触发父类或者接口的解析（加载）操作！

书上提到了4个解析情况以及流程：

• 类解析
• 字段解析
• 类方法解析
• 接口方法解析
  却没有解释这4个解析过程是在哪里发生的。后面我会逐一提到，来真正理解这4个解析过程。

元数据验证中的类解析

还记得class文件中，父类是指向一个constant_class_info吗？这个东西当时看就是一个utf字符串，没什么意义。你没法知道父类究竟有什么方法，是不是抽象类。因此必须拿到父类的类信息，要么是已经在方法区中，要么需要重新加载。

而类解析的过程如下：

可以看到这个过程中也会发生加载，甚至好多次加载。

字节码验证（我的指令对不对）

这个验证不要和前面的“文件格式验证”搞混了。
前面的“元数据验证”都只是针对类、方法、字段等和父类进行确认、校验。
但是还没有涉及到每个方法里的code属性。

code属性虽然在编译出来时是正确的，但是无法保证传输过程中被人篡改。

如果发生操作操作数栈时，栈里没东西，或者试图在局部变量表边界外写入局部变量，就可能导致不可估量的后果。

因此此刻会进行最基本的指令分析，确认对操作数栈、局部变量表的操作是安全、正确的。

但是，逐个指令分析，会不会太慢了？如果代码很长的话。

还记得class文件的code属性中，还包含了一个stackMapTable属性么，估计很多人都跳过了这个属性。

这个属性就是用在字节码验证这个过程，可以立即让编译器编译出class时，提前把各位置的情况写入stackMap中，jvm加载时只对这个stackMap做校验确认是对的即可。

但代价就是可能不安全了，因为这个stackMap是可以被篡改的。

符号引用验证（我的指令调用的目标对不对）

注意前面的“字节码验证”是简单的确认，但不会持有过多的其他类的信息。但是方法肯定会涉及对其他类的调用。

此时就会涉及到符号引用验证，确认自己是否拥有对方方法的访问权限。
那么你就需要找到目标类的类信息存放地址，确认方法权限，或者字段权限。
于是会在这里触发字段解析、类方法解析或者接口解析！

书上只提到了这3个解析过程的流程，却没有详细解释其中的一些缘由，我会做更详细的补充。

符号引用验证中的字段解析

class中的constant_filed_info终于露出了它的真面目，原来是用在这个地方，即和字段相关的指令会用到它，并通过字段符号引用， 解析到这个字段真正的定义位置。

像经常遇到的NoSuchFieldError报错，就是在这个过程中爆出来的。而且接口字段的优先级是大于父类的字段的。

符号引用验证中的类方法解析

当调用方法前，需要先确认对象方法是否有权限访问。那么就必须这个类的信息进行确认。

注意：这个过程并不是动态分派的那个过程，此刻并没有触发任何的方法调用！仅仅是确认代码中静态类型的访问权限是否正确之类的！

• 对类方法做解析的时候，会判断此时是类还是接口。如果是接口，竟然会报“IncompatibleClassChangeError”。
• 还有如果是抽象类，也会报“AbstractMethodError”，因为正常情况下，你的jvm指令调用的方法，必须是实例化的对象所对应的方法，不可能直接调用抽象类方法的。

符号引用验证中的接口方法解析

看起来像是将类方法解析中的接口和方法互换了位置。

疑问1：为什么接口方法还要解析？接口不是没有代码吗？

因为接口类里每个interface方法，本身也是一个方法，只不过没有详细的code属性。但方法的访问修饰符之类的都存在，因此验证阶段还是需要进行校验。

疑问2：为什么要区分类的方法和接口方法？不能用同一种思路去解析么？

我理解的几个原因：

1. 向上搜索时的逻辑不同，对于类方法，直接找父类即可， 而接口则需要遍历所有父接口。而且类方法还要考虑抽象类的问题，接口不需要。
2. 类方法和接口方法本身就是两个不同的符号引用， 一个是constant_method_ref，另一个是constant_interface_ref，用2套逻辑没什么毛病
3. 如果硬要问为什么要区分这2个符号引用，明明内容都是类索引+描述符索引？
   这是因为后面在实际调用方法时，二者有显著区别，具体见下文的“方法表的准备”。

准备

类静态成员默认值的准备

对于准备阶段，大家一般只记得需要对一些非final的类静态成员做默认初始值操作。

方法表的准备

除了这个默认值赋值，还有一个动作，是准备方法表。

方法表就是为了多态而生，简化动态分派时频繁的迭代循环带来的不必要消耗：

通过前面的验证过程，我们已经获知了父类信息。因此可以准备一个方法表，把父类方法堆到最前面，自己的方法堆到后面，后面直接根据索引获取方法调用地址即可！

重要问题：interface的接口方法，会有方法表吗？

intefacer接口是不具有方法表的！
因此这可能也是jvm特地区分了class_inteface_info和class_method_info这2个常量，以及特地用invoke_inteface和invoke_virtual指令来区分2类方法的调用。因为他们的调用逻辑可能大相径庭。

为什么接口不能有方法表？

这是由于Java可以实现多个接口，不同的类可能会实现了多个或者不同的接口，在虚表里该接口所实现方法的索引会不一致。

假设有A、B、C三个接口类

• 类X实现了A、B两个接口，假设A和B接口放在虚表里，那么调用A接口方法我们假设它是在t位置。
• 类T实现了B、C、A接口，按照实现顺序，先放B的方法，再放A的方法，最后放C的方法。这样调用接口A时，就不一定是t位置了，我们无法直接确定A里面方法的位置，因为一个类可以实现多个接口，而且顺序可以随意更改！

这样每次解析的虚表索引都可能会不同，因此不能进行缓存，需要每次都进行重新的解析。因此，接口的方法调用会比普通的子类继承的虚函数调用要慢。

解析

解析其实分为“静态解析”和“动态解析”。
因此将解析说成是“连接”中的一部分是不严谨的， 只有静态解析，才是“连接”的一部分。
静态解析用于解析私有方法、父类构造器、final方法等不存在多态可能的方法。

而动态解析则会在类加载的范围外去使用。

初始化

cinit方法细节解析

关于初始化时机的解释，在开头就已经阐述过了，这里不再重复解释。

疑问1：cinit方法中的代码是如何生成的？

cinit方法 是编译器收集所有类静态变量的赋值动作和静态语句块static{}中的语句合并产生，按照顺序收集。
因此类加载赋值的顺序和类定义顺序有关，原理就取决于cinit生成的原理。

疑问2：cinit类初始化是线程安全的吗？

是线程安全的，虚拟机会保证一个类的加载和cinit方法会被正确的加锁、同步。

因此多线程场景下，同时使用一个之前没初始化过的类，且类初始化过程耗时非常久的话， 且可能会造成线程阻塞。

而这也是可以利用类初始化+内部类的方式，来做单例模式的实现的原理：

初始化中的动态解析

而初始化过程中，可能会涉及其他对象实例方法的调用，因此是可能发生动态解析过程的！
类方法和接口方法的解析过程如下
类方法的解析可以借助虚方法表简化解析过程。

扩展:invoke_dynamic是什么

对于invoke_dynamic指令做什么的？涉及动态分派、类加载和解析吗？

我们首先看下invoke_dynamic指令调用的dynamic_info常量长什么样的：

可以看到它只包含了一个方法索引和描述，但似乎没包含方法属于哪个类。

它的作用是用java实现一些类似于脚本语言的逻辑，脚本语言不关心静态类型，不做编译检查，只关心运行期的内容。所以invoke_dynamic以及constant_dynamic_info应运而生。但书本和工作中对这块的接触都不是太深，因此我的理解也只能局限于此了。

最后的完整大图

好累，终于写完了，感觉能看到最后的人不会太多，但一通详细地分析和解决中间发现的问题，还是收获了不少。

最后贴上完整的大图，欢迎保存和收藏。

图解笔记系列也会持续更新下去，争取做全网最细又最大的java分享文章。在线地址：https://www.processon.com/view/link/5e7eed6ce4b0ffc4ad43fda8

欢迎点击该链接报名参加读书会，一起成长学习和交流！报名链接

 

点击关注，第一时间了解华为云新鲜技术~