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。
在Java里，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。
一、基础知识
类的整个生命周期：
加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的。
解析阶段不一定，有可能会在初始化之后开始，这是为了支持Java的动态绑定。
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加载阶段的时机：Java虚拟机规范中没有强制约束，各虚拟机自己实现。
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初始化阶段的时机（此时加载、验证、准备已在此之前开始）（有且仅有5种情况）：
（1）当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（main()方法所在类），虚拟机会先初始化这个类。
（2）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。
（3）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。
-- new：使用new关键字实例化对象；
-- getstatic/putstatic：读取/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）；
-- invokestatic：调用一个类的静态方法的时候。
（4）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。
（5）当使用动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
接口与类初始化的不同：
接口在初始化的时候，不要求其父接口全部完成了初始化，只有在真正使用到父接口时才会初始化。
二、类加载过程
1. 加载阶段
（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（1），虚拟机规范没有指明要从哪里获取、怎么获取二进制字节流，所以：
-- 如果从ZIP包中获取，就是JAR、EAR、WAR格式；
-- 如果从网络中获取，典型的是Applet；
-- 如果是运行时计算生成的二进制字节流，典型的是动态代理技术（*$Proxy代理类）；
-- 如果由其他文件生成二进制字节流，典型的是JSP；
等等。
对于（1），非数组类既可以使用系统提供的引导类加载器完成，也可以使用自定义的类加载器完成。
但是数组类不同，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建的；数组类的元素类型是通过类加载器创建的。
对于（2），方法区中的数据结构是由虚拟机自行实现的（虚拟机规范未规定），虚拟机获取到字节流后按照虚拟机所需要的格式存储在方法区中。
对于（3），当字节流按照格式存储到方法区中后，会在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象（注意：并没有明确规定是在Java堆中，这和一般对象在堆内存产生不同，在HotSpot中，Class对象存放在方法区中，尽管它是一个对象），这个Class对象将作为程序访问方法区中这个类的各种数据的外部接口。
加载阶段和连接阶段的部分内容（如一部分字节码文件格式验证）是交叉进行的。加载阶段还未完成，连接阶段可能已经开始。
2. 验证阶段
验证阶段是为了确保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。
Java语言本身是相对安全的语言，但是Class文件不一定由Java源码编译而来，所以必须对Class文件字节流进行验证。
文件格式验证
第一阶段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。
（1）是否以魔数0xCAFEBABE开头；
（2）主次版本号是否在当前虚拟机处理范围内；
（3）常量池的常量中是否有不被支持的常量类型；
（4）指向常量的各种索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量；
（5）CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据；
等等。
元数据验证
第二阶段对字节码描述的信息（类的元数据信息）进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范要求。
（1）这个类是否有父类（java.lang.Object除外）；
（2）这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）；
（3）如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口中要求实现的所有方法；
（4）类中的字段、方法是否与父类产生矛盾；
等等。
字节码验证
第三阶段对类的方法体进行检验，通过数据流和控制流分析，确定程序语义是否合法、符合逻辑。
（1）保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列能配合工作；
（2）保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上；
（3）保证方法体中的类型转换是有效的；
等等。
符号引用验证
第四阶段对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验，此验证发生在解析阶段（将符号引用转化为直接引用）时，以确保解析动作正常执行。
（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）在指定类中是否存在符合方法的字段描述符；
（3）符号引用中的类、字段、方法的访问性是否可被当前类访问；
等等。
可以使用-Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施，缩短虚拟机类加载时间。
3. 准备阶段
为类变量（被static修饰）分配内存并设置初始值，这些类变量所使用的内存都在方法区中进行分配。
通常情况下，类变量被设置的初始值都是零值，因为程序被编译后，对类变量进行赋值的操作putstatic指令存放在类构造器<clinit>()方法中，因此类变量真正赋值在初始化阶段执行，准备阶段只设置零值。
但是如果类变量被final修饰，那么类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，准备阶段会将ConstantValue属性的值直接赋给类变量，而不是零值。
4. 解析阶段
解析阶段虚拟机将常量池内的符号引用转化为直接引用。
符号引用：
符号引用是Class文件中常量池的常量（CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等）。
各种虚拟机能接受的符号引用必须是一致的（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），但是各虚拟机实现的内存布局和符号引用无关，且引用的目标不一定已经加载到内存了。
直接引用：
直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或能间接定位到目标的句柄。
各虚拟机实现的内存布局与直接引用相关，同一符号引用在各虚拟机上翻译出来的直接引用一般不同，直接引用的目标必定已经存在于内存中了。
类或接口的解析
假设当前代码所处的类为D，要把一个未解析过的符号引用N解析为类或接口C的直接引用，过程如下：
（1）如果C不是一个数组，那么虚拟机会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，可能触发其他相关类的加载动作。
（2）如果C是一个数组且数组的元素类型是对象（[Ljava/lang/Integer），那么按照1中规则加载数组的元素类型（java.lang.Integer），然后由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。
（3）如果上面两步没有出现任何异常，则C已经被加载到虚拟机中了，但是在解析完成前还需要进行符号引用验证（验证阶段的第四阶段），确认D是否有对C的访问权限，如果不具备则抛出java.lang.IllegalAccessError异常。
字段解析
（1）要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先要先解析字段所属类或接口的符号引用，即解析字段表对应常量池内CONSTANT_Fieldref_info的class_index索引的CONSTANT_Class_info符号引用。如果字段所属类或接口的符号引用解析成功（记为C），然后才能对C进行后续字段的搜索：
（2）如果C本身包含了与简单名称、字段描述符都匹配的字段，则返回该字段的直接引用，查找结束。
（3）如果在C中实现了接口，将会按照继承关系从下往上递归搜索各接口、父接口，如果找到与简单名称、字段描述符都匹配的字段，则返回该字段的直接引用，查找结束。
（4）如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果找到与简单名称、字段描述符都匹配的字段，则返回该字段的直接引用，查找结束。
（5）如果还没有找到，则抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。
（6）如果查找成功，将对这个返回字段进行权限验证，如果不具备对字段的访问权限，则抛出java.lang.IllegalAccessError异常。
类方法解析
（1）要解析一个未被解析过的类方法符号引用，首先要先解析类方法所属类或接口的符号引用，即解析类方法表对应常量池内CONSTANT_Methodref_info的class_index索引的CONSTANT_Class_info符号引用。由于类方法符号引用（CONSTANT_Methodref_info）和接口方法符号引用（CONSTANT_InterfaceMethodref_info）是不同的，因此类方法解析出来属于类才算成功（记为C），否则直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
（2）在类C中查找是否有简单名称和描述符都匹配的方法，有则返回该方法的直接引用，查找结束。
（3）在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都匹配的方法，有则返回该方法的直接引用，查找结束。
（4）在类C的接口、父接口中递归查找是否有简单名称和描述符都匹配的方法，有则说明类C是个抽象类，抛出java.lang.AbstractMethodError，查找结束。
（5）还未找到，抛出java.lang.NoSuchMethodError，查找失败。
（6）如果查找成功，将对这个返回方法进行权限验证，如果不具备对方法的访问权限，则抛出java.lang.IllegalAccessError异常。
接口方法解析
（1）要解析一个未被解析过的接口方法符号引用，首先要先解析接口方法所属类或接口的符号引用，即解析接口方法表对应常量池内CONSTANT_InterfaceMethodref_info的class_index索引的CONSTANT_Class_info符号引用。由于类方法符号引用（CONSTANT_Methodref_info）和接口方法符号引用（CONSTANT_InterfaceMethodref_info）是不同的，因此接口方法解析出来属于接口才算成功（记为C），否则直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
（2）在接口C中查找是否有简单名称和描述符都匹配的方法，有则返回该方法的直接引用，查找结束。
（3）在接口C的父接口中递归查找直到java.lang.Object类为止，看是否有简单名称和描述符都匹配的方法，有则返回该方法的直接引用，查找结束。
（4）还未找到，抛出java.lang.NoSuchMethodError，查找失败。
（5）由于接口中所有方法默认都是public的，所以不需要对查找成功后返回的方法进行权限验证，也不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。
5. 初始化阶段
除了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，其余的各阶段动作均由虚拟机控制。
到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码（javac编译而成的字节码）。
初始化阶段执行类构造器<clinit>()方法。
（1）<clinit>()方法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{}）中的语句合并产生。编译器收集的顺序由语句在源文件中出现的顺序决定，定义在静态语句块前的变量，静态语句块中可以访问；定义在静态语句块后的变量，前面的静态语句块中可以赋值，但不能访问。
（2）<clinit>()方法与实例构造器<init>()方法不同，不需要显示的调用父类构造器，因为在子类<clinit>()方法之前，父类的<clinit>()方法肯定执行完毕了。
（3）<clinit>()方法对于类或接口来说不是必须的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成<clinit>()方法，注意不是<init>()方法。
（4）接口中不能使用静态语句块，但可以有变量初始化操作，因此接口也会生成<clinit>()方法，但是接口的<clinit>()方法执行的时候不需要先执行父接口的<clinit>()方法。此外，接口的实现类在初始化时也不会执行接口的<clinit>()。
（5）虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境下被正确的加锁、同步，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。
三、类加载器
类加载器用于实现类加载阶段中的“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。
对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。
1. 类加载器分类
从Java虚拟机角度来看，类加载器分为两类：
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：虚拟机自身的一部分。
- 其他类加载器：独立于虚拟机外部，均继承自抽象类java.lang.ClassLoader。
从Java开发人员角度来看，类加载器分为三类：
（1）启动类加载器
负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中的，或被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，且被虚拟机识别的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，但是可以委派。
（2）扩展类加载器
负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的，或被java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库，开发者可直接使用扩展类加载器。
（3）应用程序类加载器
这个类加载器是ClassLoader.getSystemClassLoader()方法的返回值，它负责加载用户类路径上所指定的类库，开发者可直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义类加载器，默认使用的就是这个类加载器。
2. 双亲委派模型
类加载器之间的层次关系，被称为类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation Model）。
工作过程：
（1）如果一个类加载器收到了类加载请求，它会把这个请求委派给父类加载器去完成，每一层的类加载器都是如此，直至启动类加载器。
（2）当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（根据类全限定名无法在自己的搜索范围内找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。
双亲委派模型好处：
由于类的唯一性需要通过加载该类的类加载器和类本身这两个因素确定，因此当类加载器具有优先级关系时，类也就具有了优先级关系（对于同一个类而言，父类加载器加载的类的优先级更高），这样可以保证Java程序的稳定运行。
3. 破坏双亲委派模型
Java中大部分情况下，类加载器都遵循双亲委派模型，但也有例外。
- 第一次破坏：双亲委派模型出现之前（JDK 1.2发布之前）
- 第二次破坏：Java中所有涉及SPI（Service Provider Interface）的加载动作基本上都是使用线程上下文类加载器实现的，例如JNDI、JDBC等。利用线程上下文类加载器去加载SPI代码其实是父类加载器请求子类加载器去完成类加载动作，破坏了双亲委派模型。
- 第三次破坏：代码热替换、模块热部署。OSGi可实现模块化热部署，每个模块（Bundle）都有一个自己的类加载器，当需要更换一个Bundle时，会把该Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。在OSGi环境下，类加载器不再是双亲委派模型中的树状结构，而是更为复杂的网状结构。
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