一、前言

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、类加载机制

在Java语言里面，类的加载、连接和初始化过程是在程序运行期间第一次使用时完成的（运行期动态加载和动态连接）

1、类加载时机

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（Loading）
验证（Verification）
准备（Preparation）
解析（Resolution）
初始化（Initialization）
使用（Using）
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）
Java虚拟机之----类加载机制
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（通常都是互相交叉地混合式进行），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）。

加载、验证、准备这几个阶段在初始化之前开始执行，是由虚拟机的具体实现来自由把握。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”
（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、类加载的过程

类加载的过程包含了加载、验证、准备、解析和初始化这 5 个阶段。即类生命周期的前5个阶段

（1）加载

“加载”是“类加载”（Class Loading）过程的一个阶段，注意不要被混淆
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。

（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。
从整体上看，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）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。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量（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。其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：

static int  a = 1;

那变量a在准备阶段过后的初始值为0而不是1，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把a赋值为1的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器＜clinit＞（）方法之中，所以把a赋值为1的动作将在初始化阶段才会执行
Java中所有基本数据类型的零值如下：
Java虚拟机之----类加载机制
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a就会被初始化为
ConstantValue属性所指定的值，假设上面类变量a的定义变为：

static final int  a = 1;

编译时Javac将会为a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1

（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。
注意前面说过解析阶段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。

（5）初始化

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。

类构造器＜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。

public class Test {
    static {
        i = 0;                // 给变量赋值可以正常编译通过-->可以赋值
        System.out.print(i);  // 这句编译器会提示“非法向前引用”-->不能访问
    }
    static int i = 1;//i是定义在静态语句块之后的变量
}

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：

static class Parent {
    public static int A = 1;
    static {
        A = 2;
    }
}

static class Sub extends Parent {
    public static int B = A;
}

public static void main(String[] args) {
     System.out.println(Sub.B);  // 2
}

＜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。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的＜clinit＞（）方法。

虚拟机会保证一个类的＜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＜clinit＞（）方法完毕。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。

三、参考

周志明. 深入理解 Java 虚拟机（第二版） [M]. 机械工业出版社 2011.

Java虚拟机之----类加载机制