Java类加载机制
前言
我们知道Java的Class文件编译后生成了.class文件，.calss文件中包含的各种信息，最终都需要加载到虚拟机中之后才能运行和使用。而虚拟机是如何加载这些Class文件的呢？Class文件中从信息进入到虚拟机后会发生什么？这些都是本文要讲解的内容，将会讲解类加载的每个阶段Java虚拟机需要做什么。
定义
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。
类加载的生命周期
类从被加载到虚拟机的内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接（Linking）。类加载生命周期图如下所示：
其中，加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班的开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言中的运行时绑定（就是动态绑定也叫做晚期绑定）。
注意：这里说的按部就班的开始，而不是按部就班的进行或者完成，强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉的混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。
什么情况下需要对类进行初始化？
在讲解类加载过程之前，先说明一个问题，就是在什么情况下需要开始类初始化？
Java虚拟机规范中并没有对类的加载进行强制约束，这点可以交给虚拟机进行具体的自由实现。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须对类进行“初始化”（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4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候，读取或者设置一个类的静态字段（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，以及调用一个类的静态方法的时候。
（2）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，则需先触发其初始化。
（3）当初始化一个类的时候，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）当使用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果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。
上面的这5种场景称为对一个类进行主动引用。除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。
注意：
❤ 对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。
❤ 接口的初始化过程与类的初始化过程有些不同，虽然接口中不能使用static语句块，但编译器仍然会为接口生成“<clinit>()”类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类真正有所区别的是前面讲述的5种“有且仅有”需要开始初始化场景中的第3种：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。
❤ 通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化。
举例说明：
1 public class SuperClass 2 { 3 public static int value = 123; 4 5 static 6 { 7 System.out.println("SuperClass init"); 8 } 9 } 10 11 public class SubClass extends SuperClass 12 { 13 static 14 { 15 System.out.println("SubClass init"); 16 } 17 } 18 19 public class TestMain 20 { 21 public static void main(String[] args) 22 { 23 System.out.println(SubClass.value); 24 } 25 }
运行结果为：
SuperClass init
123
从这个例子可以验证注意1，即子类引用父类静态字段，不会导致子类初始化。
1 public class ConstClass 2 { 3 public static final String HELLOWORLD = "Hello World"; 4 5 static 6 { 7 System.out.println("ConstCLass init"); 8 } 9 } 10 11 public class TestMain 12 { 13 public static void main(String[] args) 14 { 15 System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD); 16 } 17 }
运行结果为
Hello World
在编译阶段通过常量传播优化，常量HELLOWORLD的值"Hello World"实际上已经存储到了NotInitialization类的常量池中，以后NotInitialization对常量ConstClass.HELLOWORLD的引用实际上都被转化为NotInitialization类对自身常量池的引用了。也就是说，实际上的NotInitialization的Class文件中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译成Class之后就不存在任何联系了。即注意2得到了验证。
1 public class SuperClass 2 { 3 public static int value = 123; 4 5 static 6 { 7 System.out.println("SuperClass init"); 8 } 9 } 10 11 public class TestMain 12 { 13 public static void main(String[] args) 14 { 15 SuperClass[] scs = new SuperClass[10]; 16 } 17 }
运行结果为
注意3得到了验证， 通过数组定义引用类，不会触发此类的初始化。
类加载过程
接下来讲解加载、验证、准备、解析、初始化五个步骤，这五个步骤组成了一个完整的类加载过程。使用没什么好解释的，卸载属于GC的工作，在之前GC的文章中已经有所提及了。
加载
加载时类加载过程中的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下3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。
虚拟机规范中对于这三点要求其实并不算具体，因此虚拟机实现与具体应用的灵活度都是相当大的，例如第一条，并没有指定二进制字节流要从一个Class文件中获取，这样就相当于搭建了一个开放的舞台，例如：
❤ 从ZIP包中读取，这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础；
❤ 从网络中获取，这种场景最常见的就是Applet；
❤ 运行时计算产生，这种场景使用最多的就是动态代理技术；
❤ 由其他文件生成，典型的就是JSP，由JSP文件生成相应的Class文件；
❤ 从数据库中读取，这种场景相对少见些，例如有些中间件服务器可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。
相对于类加载的其他过程，加载阶段是开发人员可控性最强的阶段。
加载阶段完成后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需要的格式存储在方法区之中，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象（并没有规定是在Java堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里面），这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。
加载阶段与连接阶段的部分内容（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。
验证
验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。
验证阶段是非常重要的，这个阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击，从执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中又占了相当大的一部分。
验证阶段大致会完成下面四个阶段的检验动作：
（1）文件格式验证
这个地方要说一点和开发者相关的。.class文件的前四个字节是魔数 0xCAFEBABE开头的，.class文件的第5~第8个字节表示的是该.class文件的主次版本号，验证的时候会对这4个字节做一个验证，高版本的JDK能向下兼容以前版本的.class文件，但不能运行以后的class文件，即使文件格式未发生任何变化，虚拟机也必须拒绝执行超过其版本号的.class文件。举个具体的例子，如果一段.java代码是在JDK1.6下编译的，那么JDK1.6、JDK1.7的环境能运行这个.java代码生成的.class文件，但是JDK1.5、JDK1.4乃更低的JDK版本是无法运行这个.java代码生成的.class文件的。如果运行，会抛出java.lang.UnsupportedClassVersionError，这个小细节，务必注意。
（2）元数据验证
这个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；主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，校验的点包括：
❤ 这个类是否有父类；
❤ 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）字节码验证
这个阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的是通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的，符合逻辑的。这个阶段将对类的方法体进行校验分析，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事件，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，例如不会出现类似在操作数栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中。
❤ 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上；
。。。。。。
（4）符号引用验证
这个阶段发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段—解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验，通常校验的内容有：
❤ 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以及简单名称所描述的方法和字段；
。。。。。。
准备
准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。
注意：这个阶段进行内存分配的仅仅包括类变量（被static修饰的变量），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。还有，这个阶段赋初始值“通常情况”下是数据类型的零值。
解析
解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，了解直接引用和符号引用的区别与关联？
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的定位到目标即可。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已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们接受的符号引用必须是一致的，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。
符号引用包括了下面三类常量：
· 类和接口的全限定名
· 字段的名称和描述符
· 方法的名称和描述符
直接引用（Direct References）：直接引用可以是直接指向目标的指针，相对偏移量或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内存中存在。
解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。
初始化
初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说字节码）。
在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者可以从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器<clinit()>方法的过程。
其实初始化阶段做的事就是给static变量赋予用户指定的值以及执行静态代码块。
注意一下，虚拟机会保证类的初始化在多线程环境中被正确地加锁、同步，即如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个类去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都要阻塞等待，直至活动线程执行<clinit>()方法完毕。因此如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞。不过其他线程虽然会阻塞，但是执行<clinit>()方法的那条线程退出<clinit>()方法后，其他线程不会再次进入<clinit>()方法了，因为同一个类加载器下，一个类只会初始化一次。实际应用中这种阻塞往往是比较隐蔽的，要小心
参考：《深入理解Java虚拟机》 周志明 编著：
