JVM--类加载机制
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类加载的时机
类的加载过程
加载（Loading）
验证（Verification）
(1)文件格式验证
(2)元数据验证
(3)字节码验证
(4)符号引用验证
准备（Preparation）
解析（Resolution）
初始化（Initialization）
使用（Using）
卸载（Unloading）
类加载器
类与类加载器
双亲委派模型
破坏双亲委派模型
虚拟机把描述类的数据从Class文件（任何来源的二进制格式）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
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）
- 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），这7个阶段的发生顺序如图：
加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始（不是进行，因为各阶段通常交叉混合执行）。
而解析阶段则不一定：它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（也称为动态绑定或晚期绑定）。
什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段：加载
Java虚拟机规范中并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种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）：
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。
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，则需要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。
补充：
- 对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会初始化，通过子类引用父类的静态字段，只会导致父类初始化，不会导致子类初始化。
- 通过数组定义来引用类，不会触发类的初始化，实际上是Lxxxxx的初始化被执行。Lxxxxx是虚拟机生成的，直接继承Object类的子类。通过newarray触发。
- 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中。不会导致定义类的初始化。
- 接口的初始化：接口在初始化时，并不要求其父接口全部完成类初始化，只有在正真正用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化
类的加载过程
加载（Loading）
在加载阶段，虚拟机需要完成：
- 通过一个类的全限定名类获取定义此类的二进制字节流
- 将这字节流所代表的静态存储结构转化为方法区运行时数据结构
- 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
获取类的二进制流，可以：
- 从ZIP包中读取，例如：JAR,EAR,WAR
- 从网络中获取，例如：Applet
- 运行时计算，例如：动态代理
- 其他文件生成，例如JSP
- ……
相对于其他阶段，非数组类的加载阶段（准确的说，是加载阶段获取二进制流的动作）是开发人员可控性最强的。
对于数组而言，数组本身不通过类加载器创建，由JVM直接创建。因为数组类的元素类型，最终是由JVM生成的。一个数组类的创建过程遵循以下规则：
- 如果数组的组件类型(指的是数组去掉一个维度的类型)是引用类型，那就递归采用上面的加载过程去加载这个组件类型，数组C将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识
- 如果数组的组件类型不是引用类型(列如int[]组数)，Java虚拟机将会把数组C标识为与引导类加载器关联
- 数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组类的可见性将默认为public
加载完成之后，会在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象。
验证（Verification）
验证阶段会完成下面4个阶段的检验动作：文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。
(1)文件格式验证
第一阶段要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。这一阶段可能包括：
- 是否以魔数oxCAFEBABE开头
- 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内
- 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型(检查常量tag标志)
- 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_Itf8_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或附加的其他信息
这个阶段的验证时基于二进制字节流进行的，只有通过类这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区进行存储，所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流
(2)元数据验证
- 这个类是否有父类(除了java.lang.Object之外,所有的类都应当有父类)
- 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被final修饰的类）
- 如果这个类不是抽象类，是否实现类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(列如覆盖类父类的final字段,或者出现不符合规则的方法重载，I例如方法参数都一致，但返回值类型却不同等)
第二阶段的主要目的是对类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
(3)字节码验证
第三阶段是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要目的似乎通过数据流和控制流分析，确定程序语言是合法的、符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后，这个阶段将对类的方法体进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件。
- 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，例如在操作数栈放置类一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中
- 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，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这个是安全的，但是把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个数据类型，则是危险和不合法
(4)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。
- 符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到相对应的类
- 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
对于虚拟机的类加载机制来说，验证阶段是非常重要的，但是不一定必要（因为对程序运行期没有影响）的阶段。如果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使用Xverify：none参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。
准备（Preparation）
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，这些变量都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时随着对象一起分配在Java堆中。其次，这里说的初始值通常下是数据类型的零值。
假设
public static int value = 123；
那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器
public static final int value=123；
则在这个阶段其初始值设置为123。
基本类型默认值
解析（Resolution）
解析阶段是虚拟机常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。
- 符号引用
符号引用是一组符号来描述所引用的目标对象，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，引用的目标对象并不一定已经加载到内存中。
- 直接引用
直接引用可以是直接指向目标对象的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是与虚拟机内存布局实现相关的，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。
虚拟机规范并没有规定解析阶段发生的具体时间，只要求了在执行anewarry、checkcast、getfield、instanceof、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、multianewarray、new、putfield和putstatic这13个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们使用的符号引用进行解析，所以虚拟机实现会根据需要来判断，到底是在类被加载器加载时就对常量池中的符号引用进行解析，还是等到一个符号引用将要被使用前才去解析它。
解析的动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号引用进行。分别对应编译后常量池内的CONSTANT_Class_Info、CONSTANT_Fieldref_Info、CONSTANT_Methodef_Info、CONSTANT_InterfaceMethoder_Info四种常量类型。
1.类、接口的解析
2.字段解析
3.类方法解析
4.接口方法解析
初始化（Initialization）
类的初始化阶段是类加载过程的最后一步，在准备阶段，类变量已赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则是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，或者可以从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器< clinit >()方法的过程。
在上面准备阶段 public static int value = 12; 在准备阶段完成后 value的值为0，而在初始化阶调用了类构造器< clinit >()方法，这个阶段完成后value的值为12。
- 类构造器< 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。
- 类构造器< clinit >()方法与类的构造函数(实例构造函数< init >()方法)不同，它不需要显式调用父类构造，虚拟机会保证在子类< clinit >()方法执行之前，父类的< clinit >()方法已经执行完毕。因此在虚拟机中的第一个执行的< 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快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须的，如果一个类中没有静态语句，也没有变量赋值的操作，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被使用时，父接口才会被初始化。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加锁和同步，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。如果一个类的< clinit >()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个进程阻塞。
使用（Using）
卸载（Unloading）
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”。
类与类加载器
对于任何一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类来确立其在JVM中的唯一性。也就是说，两个类来源于同一个Class文件，并且被同一个类加载器加载，这两个类才相等（指equals(),isAssignableFrom(),isInstance()方法返回的结果）。
双亲委派模型
从虚拟机的角度来说，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），该类加载器使用C++语言实现，属于虚拟机自身的一部分。另外一种就是所有其它的类加载器，这些类加载器是由Java语言实现，独立于JVM外部，并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader。
从Java开发人员的角度来看，大部分Java程序一般会使用到以下三种系统提供的类加载器：
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载JAVA_HOME\lib目录中并且能被虚拟机识别的类库到JVM内存中，如果名称不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载。该类加载器无法被Java程序直接引用。
- 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：该加载器主要是负责加载JAVA_HOME\lib\，该加载器可以被开发者直接使用。
- 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：该类加载器也称为系统类加载器，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该类加载器，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。
- 自定义类加载器(必须继承 ClassLoader)。
这些类加载器之间的关系如下图所示：
如上图所示的类加载器之间的这种层次关系，就称为类加载器的双亲委派模型（Parent Delegation Model）。该模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。子类加载器和父类加载器不是以继承（Inheritance）的关系来实现，而是通过组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。
双亲委派模型的工作过程为：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，每一个层次的加载器都是如此，因此所有的类加载请求都会传给顶层的启动类加载器，只有当父加载器反馈自己无法完成该加载请求（该加载器的搜索范围中没有找到对应的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。
使用这种模型来组织类加载器之间的关系的好处是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如java.lang.Object类，无论哪个类加载器去加载该类，最终都是由启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。否则的话，如果不使用该模型的话，如果用户自定义一个java.lang.Object类且存放在classpath中，那么系统中将会出现多个Object类，应用程序也会变得很混乱。如果我们自定义一个rt.jar中已有类的同名Java类，会发现JVM可以正常编译，但该类永远无法被加载运行。
protected synchronized Class＜?＞loadClass（String name,boolean resolve）throws ClassNotFoundException
{
//首先，检查请求的类是否已经被加载过了
Class c=findLoadedClass（name）；
if（c==null）{
try{
if（parent！=null）{
c=parent.loadClass（name,false）；
}else{
c=findBootstrapClassOrNull（name）；
}
}catch（ClassNotFoundException e）{
//如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
//说明父类加载器无法完成加载请求
}
if（c==null）{
//在父类加载器无法加载的时候
//再调用本身的findClass方法来进行类加载
c=findClass（name）；
}
}
if（resolve）
{
resolveClass（c）；
}
return c；
}双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作很重要，但它的实现却非常简单，实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass（）方法之中，如上代码所示，逻辑清晰易懂：先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父加载器的loadClass（）方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass（）方法进行加载。
破坏双亲委派模型
双亲委派模型主要出现过3次较大规模“被破坏”的情况。
第一次破坏是因为类加载器和抽象类java.lang.ClassLoader在JDK1.0就存在的，而双亲委派模型在JDK1.2之后才被引入，为了兼容已经存在的用户自定义类加载器，引入双亲委派模型时做了一定的妥协：在java.lang.ClassLoader中引入了一个findClass()方法，在此之前，用户去继承java.lang.Classloader的唯一目的就是重写loadClass()方法。JDK1.2之后不提倡用户去覆盖loadClass()方法，而是把自己的类加载逻辑写到findClass()方法中，如果loadClass()方法中如果父类加载失败，则会调用自己的findClass()方法来完成加载，这样就可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派模型规则的。
第二次破坏是因为模型自身的缺陷，现实中存在这样的场景：基础的类加载器需要求调用用户的代码，而基础的类加载器可能不认识用户的代码。为此，Java设计团队引入的设计时“线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）”。这样可以通过父类加载器请求子类加载器去完成类加载动作。已经违背了双亲委派模型的一般性原则。
第三次破坏 是由于用户对程序动态性的追求导致的。这里所说的动态性是指：“代码热替换”、“模块热部署”等等比较热门的词。说白了就是希望应用程序能够像我们的计算机外设一样，接上鼠标、U盘不用重启机器就能立即使用。OSGi是当前业界“事实上”的Java模块化标准，OSGi实现模块化热部署的关键是它自定义的类加载器机制的实现。每一个程序模块（OSGi中称为Bundle）都有一个自己的类加载器，当需要更换一个Bundle时，就把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，而是进一步发展为更加复杂的网状结构。
一个示例，揭秘加载原理：《Java虚拟机原理图解》5. JVM类加载器机制与类加载过程