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，最终形成可以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。

类加载的时机

一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分统称为连接（Linking）。

类加载
类加载

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类型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语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）

《Java虚拟机规范》并没有对第一阶段的“加载”做强制约束，虚拟机可以自由把握。

类加载的过程

加载

“加载”（Loading）阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情：

  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。

对于数组类而言，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型（ElementType，指的是数组去掉所有维度的类型）最终还是要靠类加载器来完成加载，一个数组类（下面简称为C）创建过程遵循以下规则：

  • 如果数组的组件类型（Component Type，指的是数组去掉一个维度的类型，注意和前面的元素类型区分开来）是引用类型，那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组C将被标识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上。
  • 如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组的组件类型为int），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联。
  • 数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致，如果组件类型不是引用类型，它的数组类的
    可访问性将默认为public，可被所有的类和接口访问到。

加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中。加载阶段与连接阶段的部分动作（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一部分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

内部采用 C++ 的 instanceKlass 描述 java 类，它的重要 field 有：

  • _java_mirror 即 java 的类镜像，例如对 String 来说，就是 String.class，作用是把 klass 暴露给 java 使用 ，String.class与instanceKlass互相持有对方的地址以找到对方
  • _super 即父类
  • _fields 即成员变量
  • _methods 即方法
  • _constants 即常量池
  • _class_loader 即类加载器
  • _vtable 虚方法表
  • _itable 接口方法表

验证

这一阶段的目的是确保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，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

准备

准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）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在方法区中进行分配，在JDK 7及之前，HotSpot使用永久代来实现方法区时；而在JDK 8及之后，类变量则会随着Class对象一起存放在Java堆中。

  • static 变量在 JDK 7及之前存储于 instanceKlass 末尾也就是在方法区里分配，从 JDK 7 开始，存储于_java_mirror 末尾即随着Class对象一起存放在Java堆中
  • static 变量分配空间和赋值是两个步骤，分配空间在准备阶段完成，赋值在初始化阶段完成
  • 如果 static 变量是 final 的基本类型，以及字符串常量，那么编译阶段值就确定了，赋值在准备阶段完成
  • 如果 static 变量是 final 的，但属于引用类型（比如new一个对象），那么赋值也会在初始化阶段完成

例如：

public static int value = 123;

那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为123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value赋值为123的动作要到类的初始化阶段才会被执行。

如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量值就会被初始化为ConstantValue属性所指定的初始值，假设上面类变量value的定义修改为：

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。

解析

解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，符号引用在上文解释Class文件格式的时候已经出现过多次，在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现，也就是将这些变成内存中真正的地址。

  • 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是已经加载到虚拟机内存当中的内容。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。
  • 直接引用（Direct References）：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者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直接相关的，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虚拟机的内存中存在。

初始化

除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。

初始化时机

类初始化是【懒惰的】，但是对于以下6中场景必须立即对类“初始化”（加载、验证、准备也必须在此之前开始）。

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

    1. 使用new关键字实例化对象的时候。
    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）的时候。
    3. 调用一个类型的静态方法的时候
  • 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
  • 当初始化类的时候，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。
  • main 方法所在的类，总会被首先初始化。
  • 当使用JDK 7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_putStatic、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。
  • 当一个接口中定义了JDK 8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。

以上这六种场景中的行为称为对一个类型进行主动引用。除此之外，所有引用类型的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

  • 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，不会触发类的初始化。
  • 访问类的 static final 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化。
  • 类加载器的loadClass方法。
  • Class.forName的参数2为false时。

进行准备阶段时，变量已经赋过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，就是执行类构造器<clinit>()方法的过程。<clinit>()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物。

  • <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。
  • <clinit>()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器<init>()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类型肯定是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，那么编译器不生成<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，因为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。
  • <clinit>()方法是线程安全的，故而可以用于设计单例模式。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。