一，前言：
代码编译的结果从本地机器码转变为字节码，是存储格式发展的一小步，却是编程语言发展的一大步。
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。
二，类加载的时机：
类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接。
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地开始，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语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）
2.1，必须立即对类进行 初始化 的情况：
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条指令的最常见的 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，则需要先触发其初始化。
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JDK 1.7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。
2.2，被动引用的 3 种情况：
对于这5种会触发类进行初始化的场景，虚拟机规范中使用了一个很强烈的限定语：“有且只有”，这5种场景中的行为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。
① 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。
② 通过数组定义来引用类，不会导致类的初始化。
③ 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。
三，类加载的过程：
接下来我们详细讲解一下 Java 虚拟机中类加载的全过程，也就是加载、验证、准备、解析和初始化这5个阶段所执行的具体动作。
3.1，加载
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静态存储结构转化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，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。
同样，也采用以上三个元素来标识一个被加载了的类：类名 + 包名 + ClassLoader 实例 ID，因此不同类加载器加载相同的类是不同的。
3.1.1，二进制字节流获取方式
“通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流”这条，它没有指明二进制字节流要从一个Class文件中获取，准确地说是根本没有指明要从哪里获取、怎样获取。
- 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，这种场景最典型的应用就是 Applet。
- 运行时计算生成，这种场景使用得最多的就是动态代理技术，在
java.lang.reflect - 代理 Proxy 中，就是用了
ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生成形式为*$Proxy的代理类的二进制字节流。 - 由其他文件生成，典型场景是JSP应用，即由JSP文件生成对应的Class类。
- 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（如SAP Netweaver）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。
相对于类加载过程的其他阶段，一个非数组类的加载阶段是开发人员可控性最强的，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成。对于数组类而言，情况就有所不同，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。
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（并没有明确规定是在 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。
3.2，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。
验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。
3.2.1，文件格式验证
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：
- 是否以魔数0xCAFEBABE开头；
- 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）；
- 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；
- CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。
这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。
3.2.2，元数据验证
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：
- 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）;
- 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）;
- 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;
- 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）。
3.2.3，字节码验证
字节码验证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。
- 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；
- 保证跳转指令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是有效的。
3.2.4，符号引用验证
最后一个阶段的校验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以及简单名称所描述的方法和字段；
- 符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可被当前类访问。
符号引用验证的目的是确保解析动作能正常执行，如果无法通过符号引用验证，那么将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类，如java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。
对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是一个非常重要的、但不是一定必要的阶段。如果所运行的全部代码都已经被反复使用和验证过，那么在实施阶段就可以考虑使用 -Xverify:none 参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。
3.3，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。
这时候进行内存分配的仅包括static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。
基本数据类型的零值如下图：
3.3.1，特殊情况-常量
在通常情况下初始值是零值，那相对的会有一些特殊情况：如果类字段的字段属性表中存在 ConstantValue 属性，那在准备阶段变量 value 就会被初始化为 ConstantValue 属性所指定的值，假设上面类变量 value 的定义变为：
public static final int value = 123;
编译时 Javac 将会为 value 生成 ConstantValue 属性，在准备阶段虚拟机就会根据 ConstantValue 的设置将value 赋值为 123。
3.4，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。
所有方法调用中的目标方法在 Class 文件里面都是一个常量池中的符号引用，在类加载的解析阶段，会将其中的一部分符号引用转化为直接引用。
这种解析能成立的前提是：方法在程序真正运行之前就有一个可确定的调用版本，并且这个方法的调用版本在运行期是不可改变的。换句话说，调用目标在程序代码写好、编译器进行编译时就必须确定下来。这类方法的调用称为解析。
在解析阶段中能确定唯一的调用版本，符合这个条件的有静态方法、私有方法、实例构造器、父类方法 4类。这些方法可以称为非虚方法，与之相反，其他方法称为虚方法（除去 final 方法）。
3.4.1，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。
3.4.2，直接引用
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。
3.4.3，解析阶段发生时间
虚拟机规范之中并未规定解析阶段发生的具体时间，只要求了在执行 anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield和putstatic这16个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用的符号引用进行解析。
所以虚拟机实现可以根据需要来判断到底是在类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析，还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它。
invokedynamic 指令的目的本来就是用于动态语言支持（目前仅使用Java语言不会生成这条字节码指令），它所对应的引用称为“动态调用点限定符”（Dynamic Call Site Specifier），这里“动态”的含义就是必须等到程序实际运行到这条指令的时候，解析动作才能进行。相对的，其余可触发解析的指令都是“静态”的，可以在刚刚完成加载阶段，还没有开始执行代码时就进行解析。
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。
3.5，初始化
类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（或者说是字节码）。
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：初始化阶段是执行类构造器 < clinit>() 方法的过程。
3.5.1，非法向前引用变量
< 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所决定的，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。
虚拟机会保证在子类的 < clinit>() 方法执行之前，父类的 < clinit>() 方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的 < clinit>() 方法的类肯定是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。 如以下代码，字段B的值将会是 2 而不是 1。
< 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。
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