类加载的全过程
java虚拟机中类加载的全过程：
- 加载
- 验证
- 准备
- 解析
- 初始化
加载
“加载（Loading）”阶段是整个“类加载（Class Loading）”过程中的一个阶段，在加载阶段，java虚拟机需要完成以下三件事情：
- 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的运行时数据结构。
- 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。
“通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流”这条规则并没有指明二进制字节流必须得从某个Class文件中获取，确切地说是根本没有指明要从哪里获取、如何获取。仅仅这一点，开发人员在这个舞台上玩出了各种花样，许多举足轻重的java技术都建立在这一基础之上。例如：
- 从ZIP压缩包中读取，这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。
- 从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Web Applet。
- 运行时计算生成，这种场景使用得最多得就是动态代理技术、在java.lang.reflect.Proxy中，就是用了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。
- 由其他文件生成，典型场景是JSP应用，由JSP文件生成对应的Class文件。
- 从数据库中读取，这种场景相对少些，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的分发。
- 可以从加密文件中获取，这是典型的防Class文件被反编译的保护措施，通过加载时解密Class文件来保障程序运行逻辑不被窥探。
相对于类加载过程中的其他阶段，非数组类型的加载阶段（准确地说，是加载阶段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阶段。加载阶段既可以使用java虚拟机里内置的启动类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式（重写一个类加载器的findClass()或loadClass()方法），实现根据自己的想法来赋予应用程序获取运行代码的动态性。
对于数组类而言，情况有所不同。数组类本身不通过类加载器创建，它是由java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。 但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，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）最终还是要靠类加载器来完成加载，一个数组类（简称为C）创建过程遵循以下规则：
- 如果数组的组件类型（Component 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C将被标识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上（一个类型必须与类加载器一起确定唯一性）。
- 如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组的组件类型为int）,java虚拟机将会把数组C标记为与启动类加载器关联。
- 数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致，如果组件类型不是引用类型，它的数组类的可访问性将默认为public，可被所有的类和接口访问到。
加载阶段结束后，java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义，《java虚拟机规范》未规定此区域的具体数据结构。类型数据妥善安置在方法区之后，会在java堆内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中类型数据的外部接口。
加载阶段与连接阶段的部分动作（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动作，仍然属于连接阶段的一部分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。
验证
验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码不会危害虚拟机的自身安全。
Class文件并不一定只能由java源码编译而来，所以如果java虚拟机不检查输入的字节流，对其完全信任的话，很可能因为载入了有错误或有恶意企图的字节码流而导致整个系统收到攻击甚至崩溃，所以验证字节码是java虚拟机保护自身的一项必要措施。
从代码量和耗费的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过程中占了相当大的比重。
验证阶段大致会完成下面四个阶段的检查动作：
- 文件格式验证
- 元数据验证
- 字节码验证
- 符合引用验证
文件格式验证
这一阶段主要是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，主要包括以下验证点：
- 是否以魔数0xCAFEBABE开头。
- 主、次版本号是否在当前java虚拟机接受范围之内。
- 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_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF-8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之后，这段字节流才被允许进入java虚拟机内存的方法区进行存储，所以后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构上进行的，不会再直接读取、操作字节流了。
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，这个阶段可能包含的验证点如下：
- 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（例如覆盖了父类的final字段，或者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）。
该阶段主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在与《java语言规范》定义相悖的元数据信息。
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，主要目的是通过数据流分析和控制流分析，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中的数据类型校验完毕后，这阶段就要对类的方法体（Class文件中的Code属性）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行为，例如：
- 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，例如不会出现类似于“在操作数栈放置一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中”，这样的情况。
- 保证任何跳转指令都不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
- 保证方法中的类型转换总是有效的，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、完全不相干的一个数据类型，则是危险和不合法的。
符号引用验证
最后一个阶段的校验行为发生在虚拟机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）的各类信息进行匹配性校验，通俗来说，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。本阶段主要验证以下内容：
- 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、方法的可访问性（private、protected、public、）。
符号引用验证的主要目的是确保解析行为能正常执行，如果无法通过符号引用验证，java虚拟机将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError的子类异常，典型的如：java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。
准备
准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。 从概念上讲，这些变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配，但必须注意到方法区本身是一个逻辑上的区域，在JDK7之前，HotSpot使用永久代来实现方法区时，实现是完全符合这种逻辑概念的；而在JDK7及之后，类变量则会随着Class对象一起存放在java堆中，这时候“类变量在方法区”就完全是一种对逻辑概念的表述了。
关于准备阶段，两个容易混淆的概念强调：
- 这时候进行内存分配的仅包括类变量，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。
- 这里所说的初始值“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()方法之中，所以把value赋值为123的动作要到类的初始化阶段才会被执行。
| 数据类型 | 零值 |
|---|---|
| int | 0 |
| long | 0L |
| short | (short)0 |
| char | ‘\u0000’ |
| byte | (byte)0 |
| boolean | false |
| float | 0.0f |
| double | 0.0d |
| reference | null |
上面提到的在“通常情况”下初始值是零值，言外之意是相对的会有某些“特殊情况”：如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量值就会被初始化为ConstantValue属性所指定的初始值，假设上面类变量value的定义修改为：
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。
解析
解析阶段是java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Class文件中以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现，解析阶段中所说的直接引用与符号引用有什么关联呢？
- 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，引用的目标并不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是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定义在《java虚拟机规范》的Class文件格式中。
- 直接引用（Direct References）:直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者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直接相关的，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虚拟机的内存中存在。
初始化
初始化阶段，java虚拟机才真正开始执行类中编写的java程序代码，将主导权移交给应用程序。
进行准备阶段时，变量已经赋值过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，则会根据程序员主观计划去初始化类变量和其他资源。
更直接的表达：初始化阶段就是执行类构造器()方法的过程。并不是java代码中直接编写的方法，它是javac编译器的自动生成物。
- ()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，可以赋值，但是不能访问。
public class Test {
static {
i = 0;//变量赋值可以正常编译通过
System.out.println(i);//编译器提示“非法前向引用”
}
static int i = 1;
}
- ()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，java虚拟机会保证在子类的()方法执行前，父类的方法已经执行完毕。因此在java虚拟机中第一个被执行的()方法的类型肯定是java.lang.Object。
- 由于父类的()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的变量赋值操作，如下代码所示，字段B的值将会是2而不是1。
public class Parent {
public static int A = 1;
static {
A = 2;
}
}
public class Sub extends Parent{
public static int B = A;
public static void main(String[] args) {
System.out.println(Sub.B);
}
}
output:2
- ()方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么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的赋值操作，因此接口与类一样都会生成()方法。但接口与类不同的是，执行接口的()方法方法不需要先执行父接口的()方法，因为只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会被初始化。此外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。
- java虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有其中一个线程去执行这个类的()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行完()方法。在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的，例如：
public class DeadLoopClass {
static {
//如果不加上if语句，编译器提示：Iniitializer does not complete normal 拒绝编译
if(true){
System.out.println(Thread.currentThread()+" init DeadLoopClass");
while (true){}
}
}
}
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Runnable script = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread()+" start");
DeadLoopClass deadLoopClass = new DeadLoopClass();
System.out.println(Thread.currentThread()+" end");
}
};
Thread thread1 = new Thread(script);
Thread thread2 = new Thread(script);
thread1.start();
thread2.start();
}
}
output:
Thread[Thread-0,5,main] start
Thread[Thread-0,5,main] init DeadLoopClass
Thread[Thread-1,5,main] start