概述

类加载机制

Java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，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。

一个类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历加载 （Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化 （Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading） 七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分统称为链接（Linking）。

这7个阶段的执行过程如下：

类加载时机

在什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段“加载”，《Java虚拟机规范》中并没有进行强制约束，但是对于初始化阶段，有且仅有以下6种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之 前开始）：

1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段。
   例如：1）使用new关键字实例化对象的时候； 2）读取或设置一个类型的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外） 的时候； 3）调用一个类型的静态方法的时候。
2. 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需 要先触发其初始化。
3. 当初始化类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
4. 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
5. 如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解 析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句 柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
6. 当一个接口中定义了被default关键字修饰的接口方法时，如果有 这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

类加载全过程

加载（Loading）阶段

加载，就是将Java类的字节码文件加载到机器内存中，并在内存中构建出Java类的原型—―类模板对象。

类模板对象是Java类在JVM内存中的一个快照，JVM将从字节码文件中解析出的常量池、类字段、类方法等信息存储到类模板中，这样JVM在运行期便能通过类模板而获取Java类中的任意信息，能够对Java类的成员变量进行遍历，也能进行Java方法的调用。这也是反射的基础。

在加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情：

1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
3. 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中，类型数据妥善安置在方法区之后，会在Java堆内存中实例化一个java.lang.Class类的对象， 这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口。

链接（Linking）

验证、准备、解析三个部分统称为链接（Linking）。

验证（Verification）阶段

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚 拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

1. 文件格式验证
   第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。这一阶 段可能包括下面这些验证点：
   1）是否以魔数0xCAFEBABE开头。 2）主、次版本号是否在当前Java虚拟机接受范围之内。 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）。 4）指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量。 5）CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF-8编码的数据。 6）Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。
2. 元数据验证
   第二阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合《Java语言规范》的要 求，这个阶段可能包括的验证点如下：
   1）这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应当有父类）。 2）这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被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。 4）类中的字段、方法是否与父类产生矛盾（例如覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的方 法重载，例如方法参数都一致，但返回值类型却不同等）。
3. 字节码验证
   第三阶段主要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。在第二阶段对元数据信息中的数据类型校验完毕以后，这阶段就要 对类的方法体（Class文件中的Code属性）进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。
4. 符号引用验证
   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。

准备（Preparation）阶段

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。

解析（Resolution）阶段

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：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：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（Initialization）阶段

直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。

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（即执行类构造器<clinit>()方法的过程）。

• <clinit>()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。
• <clinit>()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器()方法）不同，它不需要显 式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的()方法执行前，父类的()方法已经执行 完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的()方法的类型肯定是java.lang.Object。
• 由于父类的<clinit>()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值 操作
• <clinit>()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<clinit>()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 <clinit>()方法。但接口与类不同的是，执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()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<clinit>()方法。
• Java虚拟机必须保证一个类的<clinit>()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<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等 待，直到活动线程执行完毕<clinit>()方法。