概述

• Class文件中描述的各种信息，最终都需要加载到虚拟机中之后才能运行和使用。
• 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语言里面，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的，这种策略虽令类加载时稍微增加一些性能开销，但是会为程序提供更高的灵活性，Java里天生可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期动态加载和动态连接这个特点实现的。如编写一个面向接口的应用程序，可以等到运行时再指定其实际的实现类。从最基础的Applet、JSP到相对复杂的OSGi技术，都使用了Java语言运行期类加载的特性。

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，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、解析三个部分统称为连接（Linking）。

  
  类的生命周期.png

• 加载、验证、准备、初始化和卸载这5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（为了支持Java语言的运行时绑定，也称动态绑定或晚期绑定）。

• Java虚拟机规范中并没有对什么时候执行加载（第一阶段）进行强制约束，它可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。

• 但对于初始阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有（强烈的限定语）六种情况必须立即进行“初始化”（加载、验证、准备自然在此之前）

  1. 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。
     • 调用一个类的静态方法的时候。
  2. 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。
  3. 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_invokeputStatic、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。

• 以上六种场景中的行为被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。

以下为被动引用的例子

1. 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。

• 用例

package com.test;

public class SuperClass {

    static {
        System.out.println("SuperClass init!");
    }
    
    public static int value = 123;
    
}

package com.test;

public class SubClass extends SuperClass {

    static {
        System.out.println("SubClass init!");
    }
}

package com.test;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        //通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
        System.out.println(SubClass.value);
    }
    
}

• 得到的输出结果：

SuperClass init!
123

• 分析
  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。
  至于是否在触发子类的加载和验证，在虚拟机规范中没有明确规定，取决于虚拟机的具体实现。对于Sun HotSpot虚拟机来说，可通过-XX:+TraceClassLoading参数观察到此操作会导致子类的加载。

2. 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。

• 用例

package com.test;

public class SuperClass {

    static {
        System.out.println("SuperClass init!");
    }
    
    public static int value = 123;
    
}

package com.test;

public class SubClass extends SuperClass {

    static {
        System.out.println("SubClass init!");
    }
}

package com.test;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        //通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。
        SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
    }
    
}

• 运行结果
  没有结果
• 分析
  没有触发com.test.SuperClass 的初始化阶段，但却触发了名为“Lcom.test.SuperClass”的类的初始化阶段，对于用户代码而言，这不是一个合法的类名称，它由虚拟机自动生成、直接继承于java.lang.Object的子类，创建动作由字节码指令newarray触发。
  这个类代表了一个元素类型为com.test.SuperClass的一维数组，数组中应有的属性和方法（用户可直接使用的只有被修饰为public的length属性和clone()方法）都实现在这个类里。Java语言中对数组的访问比C/C++相对安全是因为这个类封装了数组元素的访问方法（准备地说，越界检查不是封装在数组元素访问的类中，而是封装在数组访问的xaload、xastore字节码指令中）,而C/C++直接翻译为对数组指针的移动。

3. 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。

package com.test;

public class ConstClass {

    static {
        System.out.println("ConstClass init!");
    }
    
    public static final String HELLOWORLD = "hello word";
    
}

package com.test;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        //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
        System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
    }
    
}

• 输出结果

hello word

• 分析
  编译阶段通过常量传播优化，已经将从常量的值“hello word”存储到NotInitialization类的常量池中，以后NotInitialization类对常量ConstClass.HELLOWORD的引用实际都被转化为NotInitialization类对自身常量池的引用。即实际上NotInitialization的Class文件之中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译成Class之后就不存在任何联系了。

接口与类加载的区别

• 接口的加载过程与类加载过程稍微有一些不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口也有初始化过程，这点与类一致，接口不能用“static{}”语句块，但编译器仍然会为接口生成“<clint()>”类构造器，用于初始化接口中定义的成员变量。
• 接口与类真正有所区别的是前面讲述的六种“有且仅有”需要开始初始化场景中的第三种：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（如引用接口中定义的常量）才会初始化。