类加载的时机

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）和卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接（Linking），7个阶段发生顺序如下图：

类的生命周期

什么情况下需要开始类加载过程的第一阶段：加载，Java虚拟机规范中并没有进行强制约束，交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则严格规定了有且只有5中情况必须立即对类进行”初始化“（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

• 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，则需要先出发其初始化。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），虚拟机会初始化这个主类
• 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_putSatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

类加载的过程

加载

在加载阶段，虚拟机需要完成以下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。
  加载阶段与连接阶段的部分内容（如一部分的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，阶级阶段可能已经开始，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内容，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

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。
验证阶段大致上完成下面4个阶段的校验工作：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
  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。
• 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
• 字节码验证
  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
• 符合引用验证
  最后一个阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，符号引用的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。

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讲在方法区中进行分配。这个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的时候随着对象一起分配在Java堆中。这里所说的初始值”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合引用替换为直接引用的过程。

• 符号引用（Symbolic Reference）：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。符号引用于虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标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合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 Reference）：直接引用可以是直接目标的指针、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，同一个符合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7类符号引用进行。

初始化

类初始化阶段是类加载过程的最好一步，前面的类加载过程，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制，到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码。
在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而初始化阶段，则根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化变量和其他资源。可以认为初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

• <clinit>()方法是由编译器自动收集类中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
• <clinit>()方法与类的构造函数（或者说实例构造器<init>()方法）不同，它不需要显示地调用父类构造器，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>()方法肯定式java.lang.Object
• 由于父类的<clinit>()方法先执行，也就意味着父类地定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作
• <clinit>()方法对于类和接口来说不是比虚的
• 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，但是接口与类不同的是，执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父类的<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是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，如果多个线程同时初始化一个类，那么只会有一个线程会去执行类的<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。

类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的”通过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虚拟机外部实现，以便让应用程序决定如何去获取所需的类，实现这个动作的代码模块成为“类加载器”。

双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来说 ，只存在两种不同的类加载器，一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++实现，是虚拟机自身的一部分；另一个是所有其他的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。
从开发角度来看，主要有如下3种类加载器：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：主要负责存放在虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存中，无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如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）：它负责加载ext目录中的类，或被系统变量所指定的路径中的所有类，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）：负责加载用户类路径上所指定的类，开发者可以直接使用这个类加载
• 自定义类加载器，继承自应用程序类加载器，用户自行实现功能。
  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，它首先不会自己尝试加载这个类，而是把这个请求委托给父类加载器去完成，每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，只用当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求时（它的搜索范围中没有找到所需的类），子类加载器才会尝试自己去加载。

参考资料

• 深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践 第2版