通过面试题解析 Java 类加载机制

Java 类加载机制是 Java 虚拟机的一个核心部分，它负责初始化、加载、连接和验证类对象，确保 Java 程序正常运行。了解 Java 类加载机制对于 Java 程序的调试和优化都是非常重要的。下面是通过面试题解析 Java 类加载机制的一些攻略，供参考。

1. 概述

Java 虚拟机通过类加载器（ClassLoader）加载类，加载顺序为：

Bootstrap ClassLoader：加载核心类库，通常由 Java 虚拟机实现。
Extension ClassLoader：加载扩展类库，通常由 Java 虚拟机实现。
System ClassLoader：加载应用程序类，通常由应用程序开发者实现，也可以使用默认的系统类加载器实现。
Custom ClassLoader：自定义类加载器，可以实现自己的类加载器。

2. 详解

类加载的过程可以分为以下几个阶段：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）。

2.1 加载

如果一个类没有被加载，那么它不可能被使用。在 Java 中，类的加载就是指将类的.class 文件读入内存，为之创建一个 Class 对象。Class 对象包含了该类的全部信息，包括该类的名称、字段、方法等。当 Java 程序需要使用某个类时，如果该类还没有被加载到内存中，系统会通过ClassLoader对象将该类加载到内存中，加载到内存中的类就可以被使用了。

2.2 验证

在验证阶段，Java 虚拟机会对加载的类进行验证，确保该类符合 Java 虚拟机规范和安全要求，这个阶段主要做以下事情：

文件格式验证：验证 .class 文件的文件格式是否符合 Java 虚拟机规范。
元数据验证：对类的元数据进行语义分析，保证不存在不符合 Java 虚拟机规范的元数据。
字节码验证：对类的字节码进行分析，保证字节码的数据、控制流及访问权限等是良好的。
符号引用验证：将类自身的各种符号引用转化为直接引用，保证不会有未定义的符号引用。

2.3 准备

在准备阶段，Java 虚拟机会为类的静态变量分配内存，并初始化为该类型的默认值（0、null 等）。例如，类的静态变量 int num = 100，会在准备阶段分配内存并初始化 num 为 0。

2.4 解析

在解析阶段，Java 虚拟机会将类中的符号引用转换为直接引用，并解析成真正的内存地址（具体机制和实现请参见 Java 虚拟机规范）。这个阶段可以与验证阶段一起完成，也可以单独完成。

2.5 初始化

在初始化阶段，Java 虚拟机会执行类的初始化方法（），正式开始类的初始化。类的初始化方法由编译器生成，其中包含了类的构造函数和静态代码块。

3. 示例说明

3.1 示例一

public class Test {
    static {
        System.out.println("静态代码块执行了");
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

执行上述代码，输出结果为“静态代码块执行了 Hello World!”。这里通过静态代码块的方式来说明类的初始化过程。在执行 main 方法之前，Java 虚拟机会先执行类的静态代码块，输出“静态代码块执行了”，然后再执行 main 方法输出“Hello World!”。

3.2 示例二

import java.util.Random;

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

class Parent {
    public static int value = new Random().nextInt();
    static {
        System.out.println("Parent static block");
    }
}

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

执行上述代码，输出结果为“Parent static block -1”。这里通过继承的方式来说明类的初始化过程。在执行 main 方法之前，Java 虚拟机会先初始化 Parent 类，因为子类 Child 继承了 Parent 类，输出“Parent static block”，然后初始化 Child 类，输出“Child static block”，最后输出 Parent 类的静态变量 value 的值（-1）。