深入理解Java虚拟机——虚拟机类加载机制

代码编译的结果是从本地机器码变为字节码，是存储格式发展的一小步，却是编译语言发展的一大步。

7.1 概述

上一张我们了解了Class文件存储格式的具体细节，在Class文件中描述的各种信息，最终都需要加载到虚拟机之后才能运行和使用，而虚拟机如何加载这些Class文件？Class文件中的信息进入到虚拟机后会发生什么变化？这些都是本章将要讲解的内容。

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。

与那些在编译时需要记性连接工作的语言不同，在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 ，这种策略虽然会令 加载时稍微增加一些性能开销，但是会为Java应用程序提供高度的灵活性，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。例如：如果编写一个面向接口的应用程序，可以等到运行时在指定其实际的实现类，用户可以通过Java预定义的和自定义类加载器，让一个本地的应用程序可以运行时从网络或其他地方加载一个二级制流作为程序代码的一部分，这种组装应用程序的方式目前已广泛应用与Java程序之中。从最基础的Applet、JSP到复杂的OSGi技术，都使用了Java语言运行时类加载的特性。

为了避免语言表达中可能产生的偏差，在本章正式开始之前，第一，在实际情况中，每个Class文件都有可能代表着Java语言中的一个类或者接口，后文中直接对“类”的描述都包括了类和接口的可能，而对于类和接口需要分开描述的场景会特别指明；第二，与前面介绍Class文件文件格式时约定一致，笔者本章所提到的“Class文件”并非指某个存在于具体磁盘中的文件，这里所说的“Class文件”应当是一串二进制字节流，无论以何种形式存在都可以。

7.2 类加载时机

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)

这七个阶段的发生顺序如图

图中，加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这个顺序按部就班的开始，而解析阶段则不一定；在某种某些特殊情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定(也称为动态绑定或者晚期绑定)。注意，这里笔者写的按部就班的“开始”，而不是按部就班的“进行”或者“完成”，强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉的混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用就、激活另一个阶段。

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，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只有5种情况必须对类进行“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、已经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），虚拟机会优先初始化这个类。
5. 当时用JDK1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandler实例最先解析结果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。

对于这5种会触发初始化的场景，虚拟机规范中使用了一个很强烈的限定语：“有且只有”，这5种场景中的行为称为对一个类进行主动引用。初次之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。

接口的加载过程与类加载过程稍有一些不同，针对接口需要做一些特殊说明：接口的初始化过程，这点与类是一致的，上面的代码都是用静态语句块“static{}”来输出初始化信息的，而接口中不能使用“static{}”语句块，但编译器仍然会为接口生成“< clinit>()”类构造器，用于初始化接口所定义的成员变量。接口和类真正有所却别的是前面讲述的5种“有且只有”需要开始初始化场景的第3种：当一个类初始化时，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，并不要求其父类接口全部完成初始化，只有在真正使用到父类接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

7.3 类加载过程

接下来详细讲解一下Java虚拟机中类加载的全过程，也就是加载、验证、准备、解析和初始化这5个阶段所执行的具体动作。

7.3.1 加载

“加载”是“类加载”（Class Loading）过程的一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成下列3件事情：

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. 将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。

虚拟机规范的这3点要求其实并不算具体，因此虚拟机实现与具体应用的灵活度都是相当大的。例如“通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流”这条，它没有指明二进制字节流要从一个Class文件中获取，准确的说是根本没有指明要从哪里获取、怎样获取。虚拟机设计团队在加载阶段搭建一个相当开放的、广阔的“舞台”，Java发展历程中、充满创造力的开发人员则在这个“舞台”上完成各种花样，许多举足轻重的Java技术都建立在这一基础之上，例如：

1. 从ZIP包中读取，这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。
2. 从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Applet。
3. 运行时计算生成，这种场景使用得最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用ProxyGenerator.generateProxyClass来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流。
4. 有其他文件生成，典型场景是JSP应用，即由JSP文件生成对应的Class。
5. 从数据库中读取，这种场景相对少见，例如有些中间件服务器（如SAP Netweaver）可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间分发。

相对于类加载过程的其他阶段，一个非数组类的加载过程（准确的说，是加载过程中获取类的二进制字节流的动作）是开发人员可控性最强的，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器来完成的，也可以由用户自定义的类加载器完成，开发人员可以通过定义自定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式（即重写一个类加载器的loadClass()方法）。

对于数组类而言，情况有所不同，数组本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建。但数组类与类加载器仍然有密切的关系，因为数组类的元素类型(Element Type，指的是数组去掉所有维度的类型)最终是靠类加载器去创建的，一个数组类创建过长就遵循一下规则：

1. 如果数组的组件类型(Element Type，指的是数组去掉一个维度的类型)是引用类型，那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识（一个类必须与类加载器一起确定唯一性）。
2. 如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组），Java虚拟机将会把数组标记为与引导类加载器关联。
3. 数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，如果组建类型不是引导类型，那数组类的可见性将默认为public。

加载阶段完成后，虚拟机外部的二级制字节流就按照虚拟机所需格式存储在方法区之中，方法区中的数据存储格式由虚拟机自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象（并没有明确规定实在Java堆中，对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里面），这个对象将作为程序访问方法区中的这些数据类型的外部接口。

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，记载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加在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。

7.3.2 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包含当前虚拟机的要求，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（依然是相对C/C++来说），使用纯粹的Java代码无法做到诸如访问数组边界之外的数据，将一个对象转型为它并未实现的类型、跳转到不存在的代码行之类的事情。如果这样做了，编译器将拒绝编译。但之前已经说过，Class文件不一定是用Java源码编译而来，可以使用任何途径产生，甚至包括十六进制编辑器直接编写来产生Class文件。在字节码语言层面上，上述Java代码无法做到的事情都是可以实现的，至少在语义上是可以表达出来的，虚拟机如果不检查字节流，对其完全信任的话，很可能会因为载入了有害的字节流而导致系统崩溃，所以验证是虚拟机对自身保护的一项重要工作。

验证阶段时非常重要的，这个阶段是否严谨，直接决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码攻击，从执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中又占了相当大的一部分。《Java虚拟机规范（第2版）》对这个的限制、指导还是比较笼统的，规范中列举了一些Class文件格式中的静态和结构化约束，如果验证到输入的字节流不符合Class文件格式的约束，虚拟机将抛出一个java.lang.VerifyError异常或其子类异常，但是具体应该检查那些方面，如何让检查，何时检查，都没有足够具体的要求和明确的说明。直到2011年发布的《Java虚拟机规范（Java SE 7版）》，大幅增加了描述验证过程的篇幅（从10页增加到130页），这是约束和验证规则才变得具体起来，从整体上看，验证阶段大致上分为4个阶段的校验动作。

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

1. 文件格式验证

第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式规范，并且能被当前版本的虚拟机处理，这一阶段可能包含下面这些验证点：

1. 是否以魔数0xCAFEBABE开头。
2. 主次版本是否在当前虚拟机处理范围之内。
3. 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）。
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_Uft8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。
6. Class文件中各个部分以及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。
   …

实际上，第一阶段的验证点还远不止这些，上面这些只是从HotSpot虚拟机源码中摘抄的一小部分内容，该验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确的解析并存储与方法区之内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，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

第二阶段是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语言规范的要求，这个阶段可能包含以下验证点：

1. 这个类是否是父类（出了java.lang.Object之外，所有的类都应该有父类）。
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之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（例如覆盖了父类的final字段，或出现不符合规则的方法重载，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的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。在第二阶段对元数据信息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，保证被验证类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件，例如：

1. 保证任何时刻操作数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工作，例如不会出现在操作栈放置了一个int类型的数据，使用时却按照long类型来加载到本地变量表中。
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，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这是安全的，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、完全不相关的一个数据类型，则是危险和不合法的。

如果一个类的方法体的字节码没有通过字节码验证，那肯定是有问题的，但一个方法体通过了字节码验证，也不能说明其一定是安全的。即使字节码验证之中进行了大量的检查，也不能保证这一点，这里涉及了离散数学中一个著名的问题“Halting Problem”：通俗一点的说法就是，通过程序去校验程序逻辑是无法绝对准确的——不能通过程序准确的检查程序是否能在有限的时间内结束运行。

由于数据流检验的高复杂性，虚拟机设计团队为了避免过多的事件消耗在字节码验证阶段，在JDK 1.6之后的javac编译器和Java虚拟机中进行了一项优化，给方法体的Code属性的属性表中增加一项名为“StackMapTable”的属性，这项属性描述了方法体中所有的基本块（Basic Block，按照控制流拆分的代码）开始时本地变量表和操作栈应有的状态，在字节码验证期间，就不需要根据程序推导这些状态的合法性，只需要检查“StackMapTable”属性中记录是否合法即可，这样将字节码验证推导转变为类型检查从而节省一些时间。

理论上StackMapTable属性也存在错误或者被篡改的可能，所以是否有可能在恶意篡改了Code属性的同时，也生成相应的StackMapTable属性来骗过虚拟机的类型校验则是虚拟机设计者值得思考的问题。

在JDK1.6的HotSpot虚拟机中提供了-XX:UseSplitVerifier选项来关闭这项优化，或者使用-XX:FailOverToOldVerifier要求在类型校验失败的时候退回到旧版本类型推导方式进行校验。而在JDK 1.7，对于主版本号大于50 的Class文件，使用类型检查来完成数据流分析检验则是唯一的选择，不允许在退回到类型推导的校验方法。

4. 符号引用验证

最后一个阶段的验证发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转换动作将在连接的第三个阶段——解析阶段中发生，符号引用验证可以看作是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验，通常需要进行下列内容：

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以及简单名称所描述的方法和字段。
3. 符号引用中的类、字段、方法的访问性（public、protected、private、default）是否可以被当前类访问。

符号引用验证的目的是确保解析动作能够正常执行，如果无法通过符号引用校验，那么将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类，如java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。

对于虚拟机的加载机制，验证阶段是一个非常重要的、但不一定是必要（因为对程序运行期没有影响）的阶段，如果所运行的全部代码（包括自己编写的以及第三发包中的代码）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-Xverifier：none来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

7.3.3 准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存将在方法区中进行分配，这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰），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“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：

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，存放在类构造器< clinit>()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。

上面提到，在“通常情况”下初始化时零值，那相对会有一些“特殊情况”：如果类字段的字段属性存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性指定的值，假设上面类型变量value的定义变为：

public static final int value = 123;

编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

7.3.4 解析

解析阶段时虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，符号引用在前一章讲解Class文件格式的时候已经出现过多次，在Class文件中它以CONSANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现，那解析阶段中所说的直接引用与符号引用又有什么关联呢？

1. 符号引用（Symbolic References）：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值，只要使用时能无歧义的定位到目标即可，符号引用与虚拟机实现的内存分布无关，引用的目标并不一定加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以是各不相同。但是它们能够接受的符号引用必须都是一致的，因为符号引用的字面值形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。
2. 直接引用（Direct References）：直接引用可以是直接指向目标的指针、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，同一个符号引用在不同的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，在引用的目标必定已经在内存中存在。

虚拟机规范中并未规定解析阶段发生的具体时间，只要求了在执行anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield和putstatic这16个用于操作符号引用的字节码指令之前，先对它们所使用的符号引用进行解析，所以虚拟机实现可以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才去解析它。

对于同一个符号引用进行多次解析请求是常见的事情，出了invokedynamic指令以外，虚拟机实现可以对第一次解析的结果进行缓存（在运行时常量池中记录直接引用，并把常量标记为已解析状态）从而避免解析动作重复进行。无论是否真正执行了多次解析动作，虚拟机需要保证的是在统一实体中，如果一个符号引用被成功解析过，那么后续的引用解析请求应该一直成功，同样的，如果第一次解析失败了，那么其他指令对这个符号引用的解析请求应该收到同样的结果。

对于invokedynamic指令，上面的规则则不成立，当碰到某个前面已经由invokedynamic指令触发过解析符号引用时，并不意味着解析结果对于其他invokedynamic指令也同样生效。因为invokedynamic指令的目的就是用于动态语言支持（目前仅使用Java语言不会生成这条字节码指令），他所对应的引用称为“动态调用点限定符”（Dynamic Call Site Specifier），这里动态的含义就是必须等到程序实际运行到这条指令的时候，解析动作才能进行，相对的，其余可触发解析的指令都是“静态”的，可以在刚刚完成加载阶段，还没有开始执行代码时就进行解析。

解析动作做主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄、调用点限定符7类符号引用进行，分别对应常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Feildref_info、CONSTANT_Methofref_info、CONSTANT_IntrefaceMethodref_info\CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MothodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info7种常量类型。下面讲解前面4中引用的解析过程：

1. 类或者接口的解析

假设当前代码所处的类为D，如果把一个从未解析的符号引用N解析为一个类或者接口C的直接引用，那虚拟机完成整个解析过程需要以下3个步骤：

1. 如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定类名传递给D的类型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，有可能出发其他类的加载动作，例如加载这个类的父类或者实现接口，一旦这个记载过程出现异常，解析过程就宣告失败了。
2. 如果C类是一个数组类型，并且数组的元素类型是对象，也就是N的描述符会是类似“[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型。如N的描述符如前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”，接着有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发生任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经称为一个有效的类或者接口了，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C的访问权限，如果发现不具备访问权限，将抛出“java.lang.IllegalAccessError”。

2. 字段解析

要解析一个未被解析过的字段符号引用，首先对字段表内class_index项索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用，如果在解析这个类或接口符号引用的过程中出现任何异常，都会导致字段符号引用解析失败，如果解析成功，那么将这个字段所属的类或接口用C表示，虚拟机规范要求按照如下步骤对C进行后续字段的搜索：

1. 如果C本身包含的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. 否在，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他的父类接口，如果接口中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。
3. 否则，C不是java.lang.Object的话，则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，否则查找失败，抛出“java.lang.NoSuchFieldError”异常。

如果查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权限，则抛出“java.lang.IllegalAccessError”异常。

但是在实际应用中，虚拟机的编译器实现可能会比上述规范要求的更加严格，如果有一个同名字段出现在C的接口和父类中，或者在自己或父类的多个接口中出现，那么编译器可能拒绝编译。

3. 类方法解析

类方法解析的第一步与字段解析一样，也是找到类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或者接口的符号引用，如果解析成功，依然用C表示这个类，接下来虚拟机会按照以下步骤进行后续的类方法搜索。

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.IncomepatibleClassError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与目标相匹配的方法，如果有则直接返回这个方法的直接引用，查找结束。
3. 否则，在C类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C类实现的借口列表以及它们的父接口之中递归查找是否有简单名称和描述符否与目标相匹配的方法，如果存在匹配方法，说明C类是一个抽象类，这时查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
5. 否则，宣告查找方法失败，将抛出“java.lang.NoSuchFieldError”异常。

最后，如果查找过程成功返回了直接引用，将对这个方法进行权限校验，如果发现不具备对此方法的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

4. 接口方法解析

接口方法解析也需要先解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，依然用C表示这个接口，解析接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续方法搜索。

1. 与类方法解析不同，如果接口方法表中发现class_index中的索引C是一个类而不是接口，则抛出java.lang.IncompatibleClassError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（查找范围包括Object类）为止，看是否有简单名称和描述符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，宣布查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。

由于接口中的所有方法默认都是public的，所以不存在访问权限问题，因此接口方法的符号解析应当不会抛出java.lang.IllegalAccessError异常。

7.3.5 初始化

类的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，其余动作完全有虚拟机主导和控制，到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说字节码）。

在准备阶段，变量已经赋值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控制的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者可以从另一个角度来表达，初始化阶段时执行类构造器< clinit>()方法的过程。

1. < clinit>()方法是有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决定的，静态语句块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。
2. < clinit>()方法与类构造器（或者说是实例构造器< init>() 方法）不同，它不需要显式的调用父类构造方法，虚拟机会保证在子类的 < clinit>()方法执行之前，父类的 < clinit>()方法已经执行完毕了，因此在虚拟机中第一个被执行的 < clinit>()方法的类肯定是java.lang.Object。
3. 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块要优先于子类变量赋值操作。
4. < clinit>()方法对于类或者接口来说并不是必须的，如果一个类没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那编译器可以不生成这个类的 < clinit>()方法。
5. 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，因此接口和类一样都会生成 < clinit>()方法，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。只有父接口中定义了变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的 < clinit>()方法。
6. 虚拟机会保证一个类的 < clinit>()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 < clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行 < clinit>()方法完成，如果在一个类的 < clinit>()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多线程阻塞的情况，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

7.4 类加载器

虚拟机设计团队把类记载阶段中“通过一个类的全限定类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，以便应用程序自己决定如何获取所需要的类，实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

类加载器可以说是Java语言的一项创新，也是Java语言流行的重要原因之一，它最初是为了满足Java Applet的需求而开发。虽然目前Java Applet技术基本上已经“死了”，但类加载却在类层次划分、OSGi、热部署、代码加密领域大放异彩，称为了Java技术体系中重要的基石，可谓失之桑榆，收之东隅。

7.4.1 类和类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中收到的作用却远远不限于类加载阶段，对于任意一个类，都需要由加载它 类加载器和类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一加载器，都有用一个独立的类名称空间。这句话可以表达的更通俗一些：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来自同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那么这两个类必定也不相等。

这里的“相等”，包括代表类的equal()方法、isAssinableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。

7.4.2 双亲委派模型

从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；另一种是所有其他类型的类加载器，这些类加载器是由Java实现，独立于虚拟机外部，并全都继承自java.lang.ClassLoader。

从Java开发人员的角度来看，类加载器还可以划分的更加细致一些，绝大部分Java程序都会使用到以下3中系统提供的类加载器。

1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：前面已经介绍过，这个类加载器负责将存放在JAVA_HOME\lib目录中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名称识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录下也不会加载）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，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载器请求委派给引导类加载器，那直接使用null代替即可。
2. 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个类加载器有sun.misc.Launch$ExtClassLoader实现，它负责加载JAVA_HOME\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
3. 应用程序加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器有sun.misc.Launcher$App-ClassLoader实现，由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径（ClassPath）上指定的类库，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，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

所有的应用程序都是由这3个类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自己定义的类加载器，这些加载器之间的关系一般如下：

图中展示的类加载器之间的这种层次关系，称之为类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation Model）。双亲委派模型除了顶层的启动类加载器之外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系实现，而都是使用组合关系来复父加载器的代码。

类加载器的双亲委派模型在JDK1.2期间被引入并被广泛应用于之后所有的Java程序中，但他并不是一个强制性的约束模型，而是Java设计者推荐给开发者的一种类加载实现方式。

双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到类加载请求，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，因此所用的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当弗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的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是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，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序中的各种类加载器环境中都是同一个类。相反如果没有双亲委派模型，由各个类加载器自行加载的话，如果用户自己编写一个称为java.lang.Object的类，并放在ClassPath中，那么系统中将会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无法保证了，应用程序也将会一片混乱。

双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运行很重要，但它的实现非常简单，实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中，基本逻辑：先检查是否已经被加载过，若没有加载过则调用父加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器为父加载器。如果父加载器加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，在调用自己的findClass()方法进行加载。

7.4.3 破坏双亲委派模型

上文提到过双亲委派模型并不是一个强制性的约束模型，而是Java设计者推荐给开发者的类加载器实现方式。在Java世界中大部分的类加载器都遵循这个模型，但也有例外，到目前为止，双亲委派模型主要出现过3中较大规模的“被破坏”情况。

双亲委派模型的第一次“被破坏”其实是发生在双亲委派模型出现之前——即JDK 1.2发布之前，由于双亲委派模型在JDK 1.2之后才被引用，而类加载器和抽象类java.lang.ClassLoader则在JDK 1.0时代就已经存在，面对已经存在的用户自定义类加载器的实现代码，Java设计者引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协，为了向前兼容，JDK 1.2之后的java.lang.ClassLoader添加了一个protected方法findClass()方法，因为虚拟机在类加载时会调用加载器的私有方法loadClassInternal()，这个方法的唯一逻辑就是去调用自己的loadClass()。

上一节已经看过loadClass()方法的代码，双亲委派的具体逻辑就实现这个方法之中，JDK 1.2之后已经不提倡用户再去覆盖laodClass方法了，而应当把自己的类加载逻辑写到findClass()方法之中，在loadClass()方法的逻辑里如果如果父类加载失败，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规则的。

双亲委派模型第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷所导致的，双亲委派很好的解决了各个类加载器的基础类的统一问题（越基础的类由越上层的加载器进行加载）基础类之所以称之为“基础”，是因为它们总是作为被用户代码调用的API，但世事往往没有绝对的完美，如果基础类又要调用回用户的代码，那应该怎么办？

这并非是不可能的事情，一个典型的例子便是JNDI服务，JNDI现在已经是Java的标准服务，他的代码由启动类加载器去加载，但JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找，他需要滴啊用由独立商家实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI接口提供者的代码，但启动类加载器不可能“认识”这些代码！那该怎么办？

为了解决这个问题，Java设计者只好引用了一个不太优雅的设计：线程上下文类加载器（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，如果创建线程还未设置，它会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

有了线程上下文类加载器，就可以做一些“舞弊”的事情了，JNDI服务使用这个线程上线文类加载器去加载所需的SPI代码，也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作，这种行为实际上是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器，实际上已经违背了双亲委派模型的一般性原则，但这也是无可奈何的事，Java所有涉及SPI记载动作基本上都采用这种方法，例如JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等。

双亲委派模型第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求导致的，这里所说的额“动态性”值得当前非常热门的名词：代码热替换（HotSwap）、模块热部署（Hot Deployment）等，说白了就是希望应用程序能像计算机外设一样，接上鼠标、键盘，不用重启机器就能立即使用，鼠标有问题或要升级就换个鼠标，不用停机也不用重启。对于个人计算机来说重启一次其实没有什么大不了，但对一一些生产系统来说，关机重启一次可能就被列为生产事故。这种情况下热部署就对软件开发者，尤其是企业级软件开发者具有很大的吸引力。

在OSGi环境下，类加载器不再是双亲委派模型的树状结构，而是进一步发展为更加复杂的网状结构，当收到一个类的加载请求，OSGi将按照以下的顺序进行类搜索：

1. 将以*.java开头的类委派给父类加载器加载；
2. 否则，将委派列表名单内的累委派给父类加载器加载；
3. 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；
4. 否则，查找当前Bundle的ClassPath，使用自己的类加载器加载；
5. 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；
6. 否则，查找Dynamic Import列表的Bundle，委派对应的Bundle的类加载器加载；
7. 否则查找失败。

上面的查找顺序只有开头两点仍然符合双亲委派模型规则，其余的类查找都是在平级的类加载器中进行。