46. JVM 的类加载过程是什么？有哪些关键步骤？

标准答案

JVM 的类加载过程分为 加载（Loading）、链接（Linking）、初始化（Initialization） 三个主要阶段。链接阶段又包含 验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）。整个过程确保类在运行时被正确加载、验证并准备使用。

答案解析

Java 采用 按需加载（Lazy Loading） 机制，只有在首次使用某个类时，JVM 才会触发类加载。类的生命周期包括：加载 -> 链接（验证、准备、解析）-> 初始化 -> 使用 -> 卸载。

1. 加载（Loading）

• 从字节码（Class 文件）获取类定义，可能来源于 JAR 包、文件系统、网络等。
• 生成 Class 对象，并存入 方法区（Metaspace），在堆中创建 java.lang.Class 实例进行管理。
• 类加载器（ClassLoader）负责查找、转换和定义类，使用 双亲委派模型（Bootstrap -> Ext -> App -> Custom）。

2. 链接（Linking）

包含以下三个步骤：

• 验证（Verification）：检查 Class 文件格式是否符合 JVM 规范，防止恶意字节码攻击。
• 准备（Preparation）：为类的静态变量分配 默认初始值（非 final 变量），但不会执行静态代码块。
• 解析（Resolution）：将 符号引用（Symbolic Reference）转换为直接引用，如解析 MethodHandle、字段和方法调用。

3. 初始化（Initialization）

• 执行静态变量赋值和静态代码块，按代码顺序执行。
• 父类优先初始化，子类初始化前必须保证父类已完成初始化。
• 只有在满足以下条件时才会触发类初始化：
  1. 首次主动使用该类（如 new、访问静态字段、调用静态方法）。
  2. 通过反射调用 Class.forName("XXX")。
  3. 子类初始化时，父类必须先初始化。
  4. Java 入口 main(String[] args) 所在的类。

代码示例

class Parent {
    static int A = 10;
    static { System.out.println("Parent static block"); }
}

class Child extends Parent {
    static int B = 20;
    static { System.out.println("Child static block"); }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Child.B);
    }
}

输出顺序：

Parent static block
Child static block
20

解析：

1. 访问 Child.B 时，JVM 先初始化 Parent，然后初始化 Child。
2. 静态代码块在类初始化阶段执行，Parent 先执行，Child 后执行。

常见错误

1. 误以为 Class.forName("X") 只是加载类，实际上它会触发类的 初始化（可用 ClassLoader.loadClass("X") 仅加载但不初始化）。
2. 误解 static final 变量的初始化：

   class A {
       static final int X = 100;
       static { System.out.println("Class A initialized"); }
   }
   public class Test {
       public static void main(String[] args) {
           System.out.println(A.X);
       }
   }
   

   不会触发 A 的初始化，因为 static final 变量在编译期就已存入常量池，不依赖类初始化。

最佳实践

• 避免 Class.forName() 触发不必要的类初始化。
• 使用 ClassLoader.loadClass() 仅加载但不初始化类，提高性能。
• 使用 -XX:+TraceClassLoading 监控类加载情况。

深入追问

1. 双亲委派机制的作用是什么？如何破坏它？

   • 作用：防止类被重复加载，保证 Java 核心 API 的安全性。
   • 破坏方式：自定义 ClassLoader，重写 findClass() 方法绕过 super.loadClass()。

2. 为什么 static final 变量不会触发类初始化？

   • 编译期常量优化，static final 变量值会直接存入常量池，无需类加载。

3. JVM 何时卸载类？

   • 当 ClassLoader 没有被任何对象引用，且其加载的所有类都不可达时，JVM 会卸载该类，释放 Metaspace 空间。

相关面试题

• 类加载器（ClassLoader）如何工作？如何自定义类加载器？
• 什么是双亲委派模型？如何破坏它？
• 类加载过程中，哪些操作会触发类的初始化？