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概述
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
类加载的时机
生命周期
加载，验证，准备，解析，初始化，使用和卸载
加载，验证，准备，初始化和卸载的顺序是确定的，类加载过程必须按这种顺序开始，解析阶段则不一定，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。
注意是开始，而不是进行或者完成，这些阶段通常都是互相交叉混合进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用，激活另一个阶段。
虚拟机规范规定了有且有5种情况必须初始化
- 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。
- 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。
- 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（包含main（）方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
- 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。
这5种行为被称为对一个类进行主动引用除此之外，所以引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。
被动引用实例
示例1
通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类的初始化
示例2
示例3
对常量类里面常量的引用已经转化为对自身产量的引用
注意
接口与类的加载过程有一些不同:当一个类初始化时，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
加载
加载是类加载过程的一个阶段，加载阶段虚拟机需要完成:
- 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结构的访问入口
二进制字节流并没有限制要从一个Class文件中获取，可以从包中获取，从网络获取，运行时计算获取，其他文件获取…
对于数组而言，数据类本身不通过类加载器创建，它由虚拟机直接创建。但数组类的元素类型仍需要类加载器创建。
内存实例化的java.lang.Class对象并不一定要在堆中，HotSpot将其放在方法区中
加载和连接阶段部分内容是交叉进行的。但是开始顺序仍是先加载再连接
验证
验证的目的是为了确保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
验证阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击
验证阶段大概会分为4个阶段的检验工作: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
-
是否以魔数开头
-
主次版号是否在虚拟机处理范围之内
-
常量池的常量中是否由不被支持的类型
…
这阶段的验证是以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，所以后面的验证阶段都是基于方法区的存储结构的
元数据验证
对字节码描述的信息进行语义分析，确保其描述的信息符合Java语言规范
-
是否有父类
-
父类是否继承了不允许被继承的类
-
若不是抽象类，是否实现了所有方法
…
主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在不符合Java语言规范的元数据信息
字节码验证
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，这阶段将对方法体进行校验分析，确保运行时不会出现危害虚拟机的事情。
-
保证数据类型和指令代码序列可以配合工作
-
保证跳转指令不会跳转到方法体以为的字节码指令上
…
符号引用验证
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
-
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
-
符合引用中的类，字段，方法的访问性是否可被当前类访问
…
符号验证确保解析动作能够正常执行，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关闭大部分类验证措施，缩短虚拟机类加载的时间。
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，类变量所使用的内存都将在方法区中分配。此时的分配仅仅只有类变量，实例对象变量之后再堆中分配，一般情况下类变量会初始化为零值，不管其有没有被赋值。赋值在初始化阶段才会发生。(执行类构造器的时候)
不过，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。
例如:
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（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。
- 直接引用（Direct References）：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。
几种解析方式:
- 类或接口解析
- 字段解析
- 类方法解析
- 接口方法解析
初始化
初始化阶段是执行类构造器()方法的过程
- ＜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，如代码清单7-5中的例子所示。
- ＜clinit＞（）方法与类的构造函数（或者说实例构造器＜init＞（）方法）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＜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。
- ＜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[2]，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。代码清单7-7演示了这种场景。
只会被执行一次
类加载器
虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”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”。
比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由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，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。
public class ClassLoaderTest {
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {
ClassLoader myLoader = new ClassLoader() {
@Override
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
InputStream is = getClass().getResourceAsStream(fileName);
if (is == null) {
return super.loadClass(name);
}
byte[] b = new byte[is.available()];
is.read(b);
return defineClass(name, b, 0, b.length);
} catch (IOException e) {
throw new ClassNotFoundException(name);
}
}
};
Object obj=myLoader.loadClass("load.load.ClassLoaderTest").newInstance();
System.out.println(obj.getClass());
System.out.println(obj instanceof load.load.ClassLoaderTest);
}
}
不同加载器加载，不一样
双亲委派模型
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：前面已经介绍过，这个类将器负责将存放在＜JAVA_HOME＞\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库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（Extension ClassLoader）：这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载＜JAVA_HOME＞\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所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（Application ClassLoader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher $AppClassLoader实现。于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader（）方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径（ClassPath）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。
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，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。
好处:基础类只会加载一个，不会加载出用户自己写的同名类。
即:双亲委派很好地解决了各个类加载器的基础类的统一问题（越基础的类由越上层的加载器进行加载）
破坏双亲委派模型
双亲委派模型不是强制性的约束模型，是Java设计者推荐给开发者的类加载器实现方式
主要出现过3次大规模的"被破坏“情况
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第一次:双亲委派模型出现之前，用户通过重写loadClass方法自定义类加载器
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第二次:基础类又要调用回用户的代码(SPI)
由于虚拟机加载中，要解析类(设为A)中的类或者接口(设为B)用到的类加载器是A的类加载器
而SPI需要的实现类并非BootstrapLoader能够找到的(不在jdk目录中)，所以需要打破双亲委派模型
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第三次:用户程序对动态性的追求(热部署)
由于同一个类加载器只会加载同一个类一次，修改代码之后还要重启，新代码才能生效，因此，若要完成热部署则需要在替换代码的同时替换类加载器，打破了双亲委派模型