Java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，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。

类加载时机

一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分统称为连接（Linking）。这七个阶段的发生顺序如图所示。

 

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类型的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，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语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）。

类加载的过程

加载

在加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情

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。（如何获取不限定，可以是网络获取，磁盘读取、动态生成等）

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。

相对于类加载过程的其他阶段，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虚拟机里内置的引导类加载器来完成，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。

连接

连接包括验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）三个阶段。

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运行后不会危害虚拟机自身的安全。

Java语言本身是相对安全的编程语言（起码对于C/C++来说是相对安全的），使用纯粹的Java代码无法做到诸如访问数组边界以外的数据、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，如果尝试这样去做了，编译器会毫不留情地抛出异常、拒绝编译。但Class文件并不一定只能由Java源码编译而来，它可以使用包括靠键盘0和1直接在二进制编辑器中敲出Class文件在内的任何途径产生。上述Java代码无法做到的事情在字节码层面上都是可以实现的，至少语义上是可以表达出来的。Java虚拟机如果不检查输入的字节流，对其完全信任的话，很可能会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受攻击甚至崩溃，所以验证字节码是Java虚拟机保护自身的一项必要措施。

验证阶段大致上会完成下面四个阶段的检验动作：

• 文件格式验证

• 元数据验证

• 字节码验证

• 符号引用验证

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及之前，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JDK8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，还有两个容易产生混淆的概念笔者需要着重强调，首先是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。其次是这里所说的初始值“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<clinit>()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。如果上述代码用final修饰，那么在准备阶段过后初始值为123（此时这个值会放在方法区的运行时常量池中）。注意，如果是局部变量，因为不存在准备阶段，在定义后必须显式初始化，否则不能通过编译。

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（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。

  例如将下面的代码用javap反汇编得到字节码指令

  public class TestClzz {private static final int fInt = 99;
  ​private static double sDouble = 8;
  ​private float aFloat = 77;
  ​public static void main(String[] args) {
  ​}
  ​public static String getMSg() {return "你好";}
  ​private boolean isTrue() {return false;}
  }

  执行

  javap -verbose .\TestClzz.class

  得到

  Classfile /D:/javaproject/myexampleproject/MyWallet/target/classes/com/kmning/wallet/jvm/TestClzz.classLast modified 2022年1月25日; size 760 bytesSHA-256 checksum 2a0a77f9a1d83a89dbd3c1f1c0a36081b607cd32f835f3a8f08773299ed13d93Compiled from "TestClzz.java"                                                    
  public class com.kmning.wallet.jvm.TestClzzminor version: 0major version: 52flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPERthis_class: #8                          // com/kmning/wallet/jvm/TestClzzsuper_class: #9                         // java/lang/Objectinterfaces: 0, fields: 3, methods: 5, attributes: 1
  Constant pool:#1 = Methodref          #9.#36         // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Float              77.0f#3 = Fieldref           #8.#37         // com/kmning/wallet/jvm/TestClzz.aFloat:F#4 = String             #38            // 你好#5 = Double             8.0d#7 = Fieldref           #8.#39         // com/kmning/wallet/jvm/TestClzz.sDouble:D#8 = Class              #40            // com/kmning/wallet/jvm/TestClzz#9 = Class              #41            // java/lang/Object#10 = Utf8               fInt#11 = Utf8               I#12 = Utf8               ConstantValue#13 = Integer            99#14 = Utf8               sDouble#15 = Utf8               D#16 = Utf8               aFloat#17 = Utf8               F#18 = Utf8               <init>#19 = Utf8               ()V#20 = Utf8               Code#21 = Utf8               LineNumberTable#22 = Utf8               LocalVariableTable#23 = Utf8               this#24 = Utf8               Lcom/kmning/wallet/jvm/TestClzz;#25 = Utf8               main#26 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V#27 = Utf8               args#28 = Utf8               [Ljava/lang/String;#29 = Utf8               getMSg#30 = Utf8               ()Ljava/lang/String;#31 = Utf8               isTrue#32 = Utf8               ()Z#33 = Utf8               <clinit>#34 = Utf8               SourceFile#35 = Utf8               TestClzz.java#36 = NameAndType        #18:#19        // "<init>":()V#37 = NameAndType        #16:#17        // aFloat:F#38 = Utf8               你好#39 = NameAndType        #14:#15        // sDouble:D#40 = Utf8               com/kmning/wallet/jvm/TestClzz#41 = Utf8               java/lang/Object
  {public com.kmning.wallet.jvm.TestClzz();descriptor: ()Vflags: (0x0001) ACC_PUBLICCode:stack=2, locals=1, args_size=10: aload_01: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V4: aload_05: ldc           #2                  // float 77.0f7: putfield      #3                  // Field aFloat:F10: returnLineNumberTable:line 8: 0line 13: 4LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0      11     0  this   Lcom/kmning/wallet/jvm/TestClzz;
  ​public static void main(java.lang.String[]);descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=0, locals=1, args_size=10: returnLineNumberTable:line 17: 0LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0       1     0  args   [Ljava/lang/String;
  ​public static java.lang.String getMSg();descriptor: ()Ljava/lang/String;Code:stack=2, locals=0, args_size=00: ldc2_w        #5                  // double 8.0d3: putstatic     #7                  // Field sDouble:D6: returnLineNumberTable:line 11: 0
  }
  SourceFile: "TestClzz.java"

  上面常量池中一堆的带有"Utf8"的就是符号引用。

• 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。

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这7类符号引用进行，分别对应于常量池的CONSTANT_Class_info、CON-STANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info、CONSTANT_Dyna-mic_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info8种常量类型。

初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，之前介绍的几个类加载的动作里，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段，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，则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。我们也可以从另外一种更直接的形式来表达：初始化阶段就是执行类构造器<clinit>()方法的过程。<clinit>()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物。

• <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。

• <clinit>()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器<init>()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<clinit>()方法执行前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类型肯定是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块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<clinit>()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<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，因为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。此外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<clinit>()方法。

• Java虚拟机必须保证一个类的<clinit>()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<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行完毕<clinit>()方法。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个进程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

       如下代码中，<clinit>()方法将执行不完，多线程访问的情况下，只会有一个线程会执行<clinit>()方法。其它线程将阻塞。当<clinit>()方法执行完后，被阻塞的线程被唤醒后不会再次进入＜clinit＞()方法。同一个类加载器下，一个类型只会被初始化一次。

public class DeadLoopTestCase {static class DeadLoopClass {static {// 如果不加上这个if语句，编译器将提示“Initializer does not complete normally”并拒绝编译if (true) {System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");while (true) {}}}}public static void main(String[] args) {Runnable script = new Runnable() {public void run() {System.out.println(Thread.currentThread() + "start");DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();System.out.println(Thread.currentThread() + " run over");}};Thread thread1 = new Thread(script);Thread thread2 = new Thread(script);thread1.start();thread2.start();}}

执行结果（程序被阻塞，不会停止）

Thread[Thread-1,5,main]start
Thread[Thread-0,5,main]start
Thread[Thread-0,5,main]init DeadLoopClass

可见，只有一个线程执行了<clinit>()方法。