概述

类加载机制：虚拟机把描述类的数据从Class文件(来源可以是文件，或者文件流等)加载在内存，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。
java中，类的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完场的，与其他在编译期就完成连接的语言不通，这样以牺牲前期一些性能的方式提供了动态扩展。

类加载的时机

类的生命周期：加载，验证，准备，解析，初始化，使用，卸载。其中加载、验证、准备、初始化和卸载5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程严格按照这种顺序进行。验证、准备、解析3个阶段统称为连接。解析阶段某些情况下则会在初始化后才开始。
什么时候开始类加载虚拟机规范没有规定，依赖虚拟机自身实现。
虚拟机规范规定以下5类情况必须立即对类进行“初始化”，在此之前类的加载，验证，准备已经完成：

1. 遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这四条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。对应的java代码场景是：使用new关键字实例化对象，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），调用一个类的静态方法。
2. 使用reflect包的方法对类进行反射调用时，如果类没有进行过初始化则需要先触发其初始化。
3. 当初始化一个类时，发现其父类还没有初始化，则需要先触发其父类进行初始化。
4. 当虚拟机启动时，用户指定了一个要执行的主类（包含要执行的main()方法，程序入口），虚拟机会先初始化这个类。
5. 使用JDK1.7及以上版本时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic方法句柄，且方法句柄对应的类没有初始化过，则需要先触发其初始化。

加载

“加载”是“类加载”过程的一个阶段。分3个阶段:

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（元数据区）的运行时数据结构。

在内存中生成代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区（元数据区）这个类的各种数据的访问入口。

类的二进制流可以从ZIP（压缩）包、网络流中读取，可以是运行时动态生成、由其他文件生成（例如JSP，XML），可以从数据库读取…总而言之，只要符合规定的格式，都可以为JVM所用。
数组类与普通类不同，数组类由java虚拟机直接创建，但数组类中的元素的类型对应的类仍然由类加载器创建。
加载阶段与连接阶段的部分内容（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连接动作，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固定的先后顺序。

验证-文件格式验证，内容验证

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JVM的要求，并且不会危害JVM自身的安全。
验证阶段大致会完成以下4个阶段：

文件格式验证。是否以魔数0xCAFEBABE开头；主次版本号是否在当前JVM处理范围内；常量池中是否有不被支持的常量；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；CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据；Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的、附加的其他信息。

元数据验证。这个类是否有父类（除了Object，所有类都应当有父类）；这个类的父类是否继承了不允许被继承的类；如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法；类中的字段、方法是否与父类产生矛盾（覆盖final属性或方法，不符合规则的方法重载）。

字节码验证。保证任意时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，保证操作数栈中数据类型与载入到本地变量表时数据类型保持一致；保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上；保证方法体中的类型转换是有效的，保证类型转换是安全、合法的。

符号引用验证，这个阶段在解析阶段完成。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；符号引用中的类、字段、方法的访问性是否可被当前类访问。

准备-类变量赋零值，final常量赋初值

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将在方法区（元数据区）中进行分配，这些变量仅包含类的变量（被static修饰的变量），初始值通常为零值，数值和byte为0，引用为null，boolean为false，程序员代码声明的值在初始化阶段才会赋给变量。但如果类属性被标识为final，则会被立即赋值为声明的值（被作为常量处理）。

解析-引用替换

解析阶段是jvm将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

符号引用：符号引用以一组符号来描述引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义的定位到目标即可。符号引用与JVM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JVM实现的内存布局可以不同，但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的定义在JAVA虚拟机规范的Class文件格式中。

直接引用：直接引用可以是和JVM内存布局相关的，同一个符号引用在不同的JVM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，那引用的目标必须已经在内存中存在。

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。

类或接口的解析（CONSTANT_Class_info）
当前所处代码类为D，要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用，需要以下3个步骤：
1. 如果C不是一个数组类型，JVM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，在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又有可能触发其他相关类的加载动作，一旦这个加载过程出现任何异常，解析过程宣告失败。
2. 如果C是一个数组类型，并且数组的元数据类型为引用类型，按照1的规则加载数组元数据类型，接着由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。
3. 如果上面的步骤没有任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。如果不具备，将抛出异常。
字段解析（CONSTANT_Fieldref_info）
要解析一个字段，首先要解析字段所属的类或接口符号引用。所属类或接口的符号引用解析成功后，JVM规范要求按照如下步骤对C进行后续字段搜索：
1. 如果C本身包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
2. 否则，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个接口和它的父接口，如果接口中包含了简单名称和字段的描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
3. 否则，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，如果在父类中包含了简单名称和字段的描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
4. 否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldEror异常。
类方法解析（CONSTANT_Mehodref_info）
类方法解析首先也需要将所属的类的符号引用解析成功。JVM将按照以下步骤对类C的方法进行搜索：
1. 类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类方法表中发现class_index中索引的C是个接口，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
2. 如果通过了第1步，在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
3. 否则，在类C的父类中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
4. 否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有，说明C类时一个抽象类，查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
5. 否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。
  查找成功返回直接引用，并对这个方法进行权限验证。
接口方法解析（CONSTANT_InterfaceMethodref_info）
接口方法也需要先解析成功所属类或接口的符号引用。接口C的方法解析按照以下方法：
1. 与类方法解析不同，如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口，直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError异常。
2. 否则，在接口C中查找是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
3. 否则，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与目标相匹配的方法，如果有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
4. 否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。

初始化-类变量赋初值

初始化时类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，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，而在初始化阶段，则根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源：初始化阶段执行类构造器()方法的过程。

()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中的语句合并产生的，收集顺序由语句在源文件中出现的顺序决定，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在之后的变量，静态语句块可以赋值，但是不能访问。

()方法与类的构造函数（()方法）不同，它不需要显示调用父类的构造器，虚拟机会保证在子类的()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕。

()方法执行的顺序决定了父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。

()方法对于类或接口来说并不是必须的，如果一个类或接口中并没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，编译器可以不为这个类生成()方法。

接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化赋值（默认为public static fianl修饰符），接口会生成()方法，但是接口与类不同，接口执行本身的()方法时，并不会执行父接口的的()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。接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。

JVM会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确的加锁、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去执行这个类的()方法，其他线程都需要阻塞等待直到()执行完毕，其他线程唤醒后不会再执行()方法，同一个类加载器下，一个类型只会初始化一次。静态内部类和饿汉式的单例模式依靠这个机制。

//饿汉式单例
public class Singleton1 {
    private Singleton1() {}
    //静态赋值语句，会编入<clinit>()，保证线程安全
    private static final Singleton1 single = new Singleton1();
    //静态工厂方法 
    public static Singleton1 getInstance() {
        return single;
    }
}
//静态内部类方式单例
public class Singleton {  
    private static class LazyHolder {  
       //静态赋值语句，会编入<clinit>()，保证线程安全
       private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
       return LazyHolder.INSTANCE;  
    }  
}

类加载器

实现“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”功能的代码模块称为“类加载器”。一个类在JVM中的唯一性，由加载它的类加载器和这个类本身一同确定：即如果比较2个类是否相等（两个类的equals、isAssignableFrom、isInstance方法返回结果相同），不仅需要判断两个类是否来自同一个Class文件，而且需要判断这两个类是否是由同一个类加载器加载。

双亲委派模型

从JVM角度来说只存在2种类加载器：启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）和其他类加载器。启动类加载器或其中底层方法大多由C++或C语言实现，是虚拟机的一部分；其他类加载器都由java实现，独立存在于虚拟机外部，且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader。
从开发者角度看，JVM提供了3种类加载器：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器负责将存放在\lib目录中，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中，并且是JVM标识的（仅按照文件名标识，如rt.jar）类库加载到虚拟机内存中，启动器类无法被JAVA程序直接引用。

扩展类加载器（Extension ClassLoader），这个类加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载\lib\ext目录中的，或被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（Application ClassLoader），这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现，这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法被调用时直接返回的类加载器。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，一般情况下这个类加载器就是程序中默认的类加载器。

类加载器之间的层级关系：
自定义类加载器->应用程序类加载器->扩展类加载器->启动类加载器。从宏观上来看是一种父子关系，但并不是通过类的继承来体现，而是以组合的关系来体现。

public abstract class ClassLoader {

    private static native void registerNatives();
    static {
        registerNatives();
    }

    // The parent class loader for delegation
    // Note: VM hardcoded the offset of this field, thus all new fields
    // must be added *after* it.
    private final ClassLoader parent;
    //...
}

双亲委派模型工作的过程：
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，只有当父类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要的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

自己实现类加载器时，将自己的类加载逻辑写到findClass()方法中。以保证符合双清委派规则。

为了完成一个类加载器委托子类加载器加载一个类（其目的是加载不在自己搜索范围内的类，例如JDBC,JNDI等情况，使用线程默认的上下文加载器加载核心类库中的接口，然后加载实现类，使得接口和实现类为同一个加载器加载，2者可见），引入了上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）：这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader()方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，默认就是应用程序类加载器。
在OSGI中，类加载器不再是双亲委派模型，而是更为复杂的网状结构。其类加载顺序为：

将java.*开头的类委派给父类加载器加载。
否则，将委派列表名单内的类委派给父类加载器加载。
否则，将Import列表中的类委派给Export这个类的Bundle的类加载器加载。
否则，查找当前Bundle的ClassPath，使用自己的类加载器加载。
否则，查找类是否在自己的Fragment Bundle中，如果在，则委派给Fragment Bundle的类加载器加载。
否则，查找Dynamic Import列表的Bundle，委派给对应Bundle的类加载器加载。
否则，类查找失败。