JVM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。Java运行期动态加载和动态连接的特点使得Java天生就具有动态扩展的语言特性。

类加载的时机

类从被加载到虚拟机内存开始，到卸载出内存为止，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）

七个阶段发生的顺序如下图：

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语言地运行时绑定。

Java虚拟机规范严格规定了有且只有5种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。这5种情况分别是：

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。
使用java.lang.reflect包地方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化。
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。
当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类，虚拟机会先初始化这个类。
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_inkokeStatic、REF_putStatic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。被动引用的情况列举：

通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化；
通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化；
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。

接口与类的区别在于前文中5中“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，但是一个接口在初始化时，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，才会初始化。

类加载的过程

类加载的过程，即加载、验证、准备、解析和初始化这个5个阶段。

加载

“加载”只是“类加载”过程的一个阶段。在加载阶段，虚拟机需要完成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。

验证

验证是连接阶段的第一步，这一步的目的是为了确保Class文件中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，验证阶段大致可以分为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。

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。文件格式验证的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。可能的验证点：

是否以魔数0xCAFEBABE开头；
主、次版本号是否在当前虚拟机处理的范围之内；
常量池的常量中是否有不被支持的常量类型；
指向常量的各种索引值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；
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。

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。可能的验证点：

这个类是否有父类（除了java.lang.Object之外，所有的类都应该有父类）；
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者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）。

字节码验证

字节码验证是整个验证过程中最复杂的一步，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。可能的验证点：

保证任意实可操作数栈的数据类型与指令代码序列都能够配合工作，例如不会出现类似这样的情况：在操作数栈放置了一个int类型的数据，使用时却按照long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；
保证方法体中的类型转换是有效的，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

这一步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，即解析中发生。符号引用验证的主要目的是确保解析动作能够正常执行，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。可能的验证点：

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、方法的访问性是否可被当前类访问。

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。准备阶段进行内存分配的仅包括类变量，不包括实例变量，实例变量将在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。准备阶段的初始值，“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。

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地内存布局无关，引用的目标并不一定已经加载到内存中。
直接引用：直接引用可以是直接指向目标的指针，相对偏移量或时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这7类符号引用进行。

初始化

初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。()方法执行过程中一些可能会影响程序运行行为的特点和细节：

该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中的语句合并后产生的，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。
该方法与类的构造函数不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中第一个被执行的()方法的类肯定是java.lang.Object。
由于父类的()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。
该方法对于类或接口来说并不是必须的，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，因此接口类与类一样都会生成()方法。但接口与类不同的是，执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法。只有当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()方法。
虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地枷锁、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地()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行()方法完毕。如果在一个类地()方法中有耗时很长地操作，就可能造成多个进程阻塞。

类加载器

把类加载阶段中“通过一个类地全限定名来获取描述此类地二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。即：比较两个类是否相等，只有在这个两个类是同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载他们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器，这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都有Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

从开发人员的角度来看，绝大部分Java程序都会使用到下面3种系统提供的类加载器：

**启动类加载器：**这个类加载器负责将存放在<JAVA_HOME>/lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机按照文件名识别的类库（例如：rt.jar，名字不符合的类库即使放到lib目录中也不会被加载）加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器，那直接使用null代替即可。
**扩展类加载器：**这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
**应用程序类加载器：**这个加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称为系统类加载器。负责加载用户类路径上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

类加载器之前的关系一般如下图：

上图中展示的类加载器之间的层次关系，称为类加载器的双亲委派模型。双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。

双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载。

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。