类加载机制

虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。需要注意的是，在Java语言里面，类型的加载、连接和初始化都是在程序运行期间完成的，这种策略虽然会导致类加载时稍微增加一些性能开销，但是给Java应用程序提供了高度的灵活性，比如说编写一个面向接口的应用程序，可以等到运行时再指定其实际的实现类。

类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载处内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载这个七个阶段，其中验证、准备、解析属于连接阶段。

其中，加载、验证、准备、解析、初始化和卸载这5个阶段顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班的进行，但是解析阶段却不一定。在某些情况下，解析可以在初始化之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定。这里需要注意的是，这些阶段通常都是互相交叉的混合式进行的，通常会在一个阶段的执行的过程中调用、激活另外一个阶段。

上面说了那么多，什么时候会开始类加载的第一个阶段：加载呢？Java虚拟机规范中并没有强制约束这一点，这一点虚拟机可以自由实现。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且仅有5中情况必须立即对类进行初始化（加载、验证、准备自然需要在此之前开始）。

遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先初始化。比如说使用new关键字实例化对象的时候，读取或设置一个类的静态变量（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外），以及调用类的静态方法的时候。
使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，那么先要对类进行初始化。

当初始化一个类的时候，如果发现其父类没有进行初始化，那么要先初始化父类。

接口的初始化这里和类的初始化有点区别：接口在初始化的时候，并不要求父接口全部完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（比如引用接口中定义的常量）才会初始化。

当虚拟机启动时，用户需要指定一个主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
当使用JDK1.7的动态语言支持的时候，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果是REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄、并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

类加载的过程

加载

加载 是 类加载 过程的一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
将这个字节流所代表的的类的静态数据结构转换为方法区的运行时数据结构。
在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象（默认存放在堆中（JDK1.8之前（不包括1.8）可以通过参数修改设置JavaObjectsInPerm，UnlockDiagnosticVMOptions来设置存放在方法区），Klass数据才是存放在元空间或者方法区，参考JVM源码分析之Metaspace解密），作为这个类的各种数据访问入口。

还有一点需要注意的是，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建的，但数组类与类加载器仍然有很大的关系，因为数组类的元素类型（Element Type），最终是要靠类加载器去创建。

验证

文件格式验证

1). 比如是否以魔术0xcafebabe开头。

2). 主、次版本号是否在当前Java虚拟机接收范围之内。

3). 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型（检查常量tag标志）。
元数据验证

1). 这个类是否有父类（除了Object之外，所有的类都有父类）

2). 这个父类的父类是否继承了不允许被继承的类（final修饰的类）

3). 如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法。

这一阶段主要是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在与Java语义规范定义相悖的元数据信息。

字节码验证

主要目的是通过数据流分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。例如：

保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现类似于“在操作 

栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中”这样的情况。 

保证任何跳转指令都不会跳转到方法体以外的字节码指令上。 

保证方法体中的类型转换总是有效的，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这是安全 

的，但是把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个 

数据类型，则是危险和不合法的。

符号引用验证

符号引用验证可以看作是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的各类信息进行匹配性校验，通俗来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。

本阶段通常需要校验下列内容：

·符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。 

·在指定类中是否存在符合方法的字段描述符及简单名称所描述的方法和字段。 

·符号引用中的类、字段、方法的可访问性（private、protected、public、<package>）是否可被当 

前类访问。 

·……

符号引用验证的主要目的是确保解析行为能正常执行，如果无法通过符号引用验证，Java虚拟机将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError的子类异常，典型的如： java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

准备

准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。这时候进行内存分配的仅包括类变量，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。如果一个类变量被final修饰，那么这个时候赋的初始值就是实际定义的值，比如下面定义的一个变量，那么这个时候在准备阶段就会被赋值为123。

1	public static final int value = 123;

解析

解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

符号引用（Symbolic References）：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在《Java虚拟机规范》的Class文件格式中。
直接引用（Direct References）：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局直接相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在虚拟机的内存中存在。

初始化

进行准备阶段时，变量已经赋过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。我们也可以从另外一种更直接的形式来表达：初始化阶段就是执行类构造器()方法的过程。()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物，但我们非常有必要了解这个方法具体是如何产生的，以及 ()方法执行过程中各种可能会影响程序运行行为的细节，这部分比起其他类加载过程更贴近于普通的程序开发人员的实际工作。

()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问。

()方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成()方法。

接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成 ()方法。但接口与类不同的是，执行接口()方法不需要先执行父接口的()方法，因为只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。此外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。

Java虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有其中一个线程去执行这个类的()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行完毕()方法。如果在一个类的()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

参考

深入理解Java虚拟机（第3版）