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。

1 类加载的时机

一个类型从被加载到虚拟机内存开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。

图 类的生命周期

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的。而解析阶段不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始。

《Java虚拟机规范》严格规定了有且只有六种情况必须对类进行“初始化”:

1)遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段。能生成这四条指令的典型Java代码场景有：

① 使用new关键字实例化对象；

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）；

③ 调用一个类型的静态方法；

2)使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

3)当初始化类时，如果其父类还未进行初始化，则需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JDK7新加入的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_pubStatic、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JDK8新加入的默认方法(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。

1.1 被动引用不会触发初始化

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。

public class SuperStaticClass {
    private static class SuperClass {
        static {
            System.out.println("父类初始化");
        }
        public static int value = 123;
    }
    private static class SubClass extends SuperClass {
        static {
            System.out.println("子类初始化");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}
/*
运行结果:
父类初始化
123
*/

2,通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。

public class ArrayInitClass {

    private static class ArrayClass {
        static {
            System.out.println("数组类初始化");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ArrayClass[] array = new ArrayClass[10];
        System.out.println("执行结束");
    }
}
/*
运行结果:
执行结束
 */

3,常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上没有直接引用到定义常量到类，因此不会触发定义常量到类的初始化。

public class ConstantStaticClass {

    private static class ConstantClass {
        static {
            System.out.println("ConstantClass初始化");
        }
        public static final String WORD = "hello word";
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstantClass.WORD);
    }
}
/*
运行结果:
hello word
 */

1.2 接口的初始化

接口与类初始化真正有所区别的是前面讲述的六种常见中的第三种：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。

2 类加载的过程

2.1 加载

在加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事：

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。

2.1.1 数组类加载

public class Test1 {

    private static class CustomClass {}

    public static void main(String[] args) {
        CustomClass[] array1 = new CustomClass[5];
        System.out.println("array1.getClass(): "+array1.getClass());
        CustomClass[][] array2 = new CustomClass[2][2];
        System.out.println("array2.getClass():"+array2.getClass());
        System.out.println("array2[0].getClass():" + array2[0].getClass());
        array2[0][0] = new CustomClass();
        System.out.println("array2[0][0].getClass():" + array2[0][0].getClass());
    }
}
/*
运行结果:
array1.getClass(): class [Lday04.com.huangmingfu.test.Test1$CustomClass;
array2.getClass():class [[Lday04.com.huangmingfu.test.Test1$CustomClass;
array2[0].getClass():class [Lday04.com.huangmingfu.test.Test1$CustomClass;
array2[0][0].getClass():class day04.com.huangmingfu.test.Test1$CustomClass
 */

对于数组实例来说，其类型是由JVM运行期动态生成的。

图 数组类加载过程

2.2 验证

验证的目的是确保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，确保这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段大致会完成四个阶段的验证动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

2.2.1 元数据验证

这阶段是对字节码描述的信息进行语义分析，以确保其描述的信息符合《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。

2）这个类的父类是否继承了不允许被继承的类。

3）类中的字段、方法是否与父类产生矛盾。

2.2.2 字节码验证

是整个验证过程中最复杂的一个阶段。目的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。

这个阶段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行为，例如：

1）保证任何跳转指令都不会跳转到方法体以外的字节码指令上。

2）保证方法体的类型转换总是有效的。

2.2.3 符号引用验证

发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在解析阶段中发生。

本阶段通常需要校验下列内容：

1）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。

2）符号引用的类、字段、方法的可访问性是否可被当前类访问。

3）在指定类中是否存在符合方法的字段描述符及简单名称所描述的方法和字段。

2.3 准备

正式为类中定义的变量（即静态变量）分配内存并设置类变量的初始值的阶段。

“通常情况”下初始值是零值。比如 public static int value = 123; (初始值为0)，但是下面的情况，初始值不为0:

public static final int value = 123;

该代码在准备阶段虚拟机会将值初始为123。

2.4 解析

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。

符号引用是以一组符号来描述引用目标，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。

图 常量池中的符号引用

对同一个符号引用进行多次解析时，除invokeddynamic指令外，虚拟机可以对第一次解析的结果进行缓存。

invokeddynamic是用于动态语言支持，是指程序必须运行到这条指令时，解析动作才能进行。相对地，其余指令都是静态的，可以在刚刚完成加载阶段，还没开始执行代码时就提前进行解析。

2.4.1 类或接口的解析

图 类或接口的解析步骤

2.4.2字段解析

首先将会对字段表内class_index项中的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，如果解析成功，那把这个字段所属的类或接口用C表示。然后按照《Java虚拟机规范》要求对C进行后续字段的搜索:

先搜索C本身，没找到则搜索C中实现的接口，再没找到则从下往上递归搜索其父类。如果还是没找到，则抛出NoSuchFieldError异常。

方法解析和字段解析类似。

2.5 初始化

在初始化阶段，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。是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

2.5.1 类构造器<clinit>()

       不是程序员在Java代码中直接编写的方法，是Java编译器自动生成物。

       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产生的。顺序由语句在源文件中出现的顺序决定。

public class Test2 {
    static {
        i = 2; // 能正常赋值
        System.out.println(i); //Illegal forward reference
    }
    static int i = 1;
}

       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，语句块可以赋值，但不能访问。

2.5.2 接口的初始化

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。

2.5.3 类的<clinit>()方法在多线程环境中加锁同步

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。