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类加载包含两部分：一部分是被谁加载，另一部分是如何加载。被谁加载是指 ClassLoader 的双亲委派模型，如何加载是指类的加载过程。

1 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（Useing）、卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备和解析3个部分统称为连接（Linking），这7个阶段的发生顺序如图所示。

1.1 类加载时机

什么情况下虚拟机需要开始加载一个类呢？虚拟机规范中并没有对此进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。

1.2 类初始化时机

对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有6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）：
这六种情况称为对一个类进行主动引用。其余情况都不会触发初始化，称为被动引用。

1.2.1 主动引用（触发初始化）

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。
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。
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。
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。
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。
当一个接口中定义了JDK 8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果有
这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

1.2.2 测试主动引用

首先准备两个类用户测试其是否初始化。
SuperClass

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;/*** @author lastwhisper*/
public class SuperClass {public static int value = 123;static {System.out.println("SuperClass static code init!");}public SuperClass() {System.out.println("SuperClass constructor init! ");}public static int getValue() {return value;}public static void setValue(int value) {SuperClass.value = value;}
}

SubClass 继承自SuperClass

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;/*** @author lastwhisper*/
public class SubClass extends SuperClass {public static int subvalue = 456;static {System.out.println("SubClass static code init!");}public SubClass() {System.out.println("SubClass constructor init! ");}public static int getSubvalue() {return subvalue;}public static void setSubvalue(int subvalue) {SubClass.subvalue = subvalue;}
}

场景一

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。

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;/*** 主动引用触发初始化、演示一* @author lastwhisper*/
public class Initialization1 {// 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。public static void main(String[] args) {// 1.new字节码指令//SubClass subClass = new SubClass();// 2.getstatic字节码指令// 被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外//int subvalue = SubClass.subvalue;// 3.setstatic字节码指令// 被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外//SubClass.subvalue = 789;// 4.invokestatic字节码指令//SubClass.getSubvalue();}
}

结果

// 1.new字节码指令
SuperClass static code init!
SubClass static code init!
SuperClass constructor init!
SubClass constructor init!
// 2.getstatic字节码指令
SuperClass static code init!
SubClass static code init!
// 3.setstatic字节码指令
SuperClass static code init!
SubClass static code init!
// 4.invokestatic字节码指令
SuperClass static code init!
SubClass static code init!

场景二

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。

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;import java.lang.reflect.Constructor;/*** 主动引用触发初始化、演示二* @author lastwhisper*/
public class Initialization2 {public static void main(String[] args) {// 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。try {// 使用Class.forName();也行，不要使用对象.class。Class<SubClass> clazz = SubClass.class;Constructor<SubClass> constructor = clazz.getConstructor();constructor.newInstance();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

结果

SuperClass static code init!
SubClass static code init!
SuperClass constructor init!
SubClass constructor init!

场景三

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。

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;/*** 主动引用触发初始化、演示三* @author lastwhisper*/
public class Initialization3 {// 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public static void main(String[] args) {// 在Initialization1的new指令和Initialization2的反射创建对象都有体现SubClass subClass = new SubClass();//初始化顺序//SuperClass static code init!  首先初始化父类静态代码块//SubClass static code init!    其次初始化自己的静态代码块//SuperClass constructor init!  其次初始化父类的构造器//SubClass constructor init!    其次初始化自己的构造器}
}

结果

SuperClass static code init!
SubClass static code init!
SuperClass constructor init!
SubClass constructor init!

场景四

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。

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;/*** 主动引用触发初始化、演示四* @author lastwhisper*/
public class Initialization4 {static {System.out.println("Initialization4 static code init!");}public Initialization4() {System.out.println("Initialization4 constructor init!");}public static void main(String[] args) {// 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。}
}

结果

Initialization4 static code init!

场景五

当使用JDK1.7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。

首先创建一个MethodHandleClass类

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;/*** @author lastwhisper*/
public class MethodHandleClass {static {System.out.println("MethodHandleClass static code init!");}public MethodHandleClass() {System.out.println("MethodHandleClass constructor init!");}// REF_invokeStaticpublic static void testREF_invokeStatic(String str) {System.out.println(str);}}

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;import java.lang.invoke.MethodHandle;
import java.lang.invoke.MethodHandles;
import java.lang.invoke.MethodType;/*** 主动引用触发初始化、演示五* @author lastwhisper*/
public class Initialization5 {public static void main(String[] args) {MethodHandles.Lookup lookup = MethodHandles.lookup();try {// REF_invokeStaticMethodHandle testREF_invokeStatic = lookup.findStatic(MethodHandleClass.class, "testREF_invokeStatic", MethodType.methodType(void.class, String.class));testREF_invokeStatic.invoke("啥也不干，打印一段话");// REF_getStatic// REF_putStatic} catch (NoSuchMethodException e) {e.printStackTrace();} catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();} catch (Throwable throwable) {throwable.printStackTrace();}}
}

结果

MethodHandleClass static code init!
啥也不干，打印一段话

1.2.3 被动引用（不会触发初始化）

子类引用父类的静态字段，只会触发子类的加载、父类的初始化，不会导致子类初始化
通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化
常量在编译阶段会进行常量优化，将常量存入调用类的常量池中，
本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。

1.2.4 测试被动引用

场景一

子类引用父类的静态字段，只会触发子类的加载、父类的初始化，不会导致子类初始化

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.passive;import cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative.SubClass;/*** 被动使用类字段不触发初始化、演示一* @author lastwhisper*/
public class NotInitialization1 {// 子类引用父类的静态字段，只会触发子类的加载、父类的初始化，不会导致子类初始化// 是否要触发子类的加载和验证，在虚拟机规范中并未明确规定，这点取决于虚拟机的具体实现// 对于Sun HotSpot虚拟机，可通过-XX:+TraceClassLoading参数观察到此操作会导致子类的加载public static void main(String[] args) {System.out.println(SubClass.value);//[Loaded cn.lastwhisper.jvm.classloading.passive.SubClass from ...]}
}

结果

SuperClass static code init!
123

场景二

通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.passive;import cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative.SuperClass;/*** 被动使用类字段不触发初始化、演示二* -XX:+TraceClassLoading* @author lastwhisper*/
public class NotInitialization2 {public static void main(String[] args){// 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化// 会触发L+全类名的初始化SuperClass[] superClasses = new SuperClass[10];}
}

结果

场景三

常量在编译阶段会进行常量优化，将常量存入调用类的常量池中，
本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。

创建一个被 static final修饰的类

/*** @author lastwhisper*/
public class ConstClass {public static final String HELLOWORLD = "hello world";static {System.out.println("ConstClass init!");}
}

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.passive;/*** 被动使用类字段不触发初始化、演示三* @author lastwhisper*/
public class NotInitialization3 {public static void main(String[] args) {// 常量在编译阶段会进行常量优化，将常量存入**调用类**的常量池中，// 本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);// hello world}
}

结果

hello world

2 类加载步骤

接下来我们会详细了解Java虚拟机中类加载的全过程，即加载、验证、准备、解析和初始化这五个阶段所执行的具体动作。

2.1 加载

“加载”（Loading）阶段是整个“类加载”（Class Loading）过程中的一个阶段，希望读者没有混淆这两个看起来很相似的名词。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。

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。对于数组类而言，情况就有所不同，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。

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的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。

2.2 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。

验证阶段是非常重要的，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的攻击，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、字节码验证和符号引用验证。

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。
该验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，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之后，这段字节流才被允许进入Java虚拟机内存的方法区中进行存储，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。
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以后，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。
如果一个类型中有方法体的字节码没有通过字节码验证，那它肯定是有问题的；但如果一个方法体通过了字节码验证，也仍然不能保证它一定就是安全的。即使字节码验证阶段中进行了再大量、再严密的检查，也依然不能保证这一点。
符号引用验证：最后一个阶段的校验行为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，通俗来说就是，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。
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。

验证阶段对于虚拟机的类加载机制来说，是一个非常重要的、但却不是必须要执行的阶段，因为验证阶段只有通过或者不通过的差别，只要通过了验证，其后就对程序运行期没有任何影响了。
如果程序运行的全部代码（包括自己编写的、第三方包中的、从外部加载的、动态生成的等所有代码）都已经被反复使用和验证过，在生产环境的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。

2.3 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JDK 7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JDK 8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。
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

public static int value = 123;

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。

上面提到在“通常情况”下初始值是零值，那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Con-stantValue的设置将value赋值为123。

2.4 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。
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_info 8种常量类型。

2.5 初始化（第一部分主要讲解了初始化时机）

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，
```
public class Test {static {i = 0; // 给变量复制可以正常编译通过System.out.print(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用”}static int i = 1;
}
```
<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()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，字段B的值将会是2而不是1。

   static class Parent {public static int A = 1;static {A = 2;}}static class Sub extends Parent {public static int B = A;}public static void main(String[] args) {System.out.println(Sub.B);}

<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例如public static final int value=123;，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。
需要注意，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行<clinit>()方法的那条线程退出<clinit>()方法后，其他线程唤醒后则不会再次进入<clinit>()方法。同一个类加载器下，一个类型只会被初始化一次。

3 类加载方式（被谁加载）

3.1 Java类加载器层级结构

BootstrapClassLoader，启动类加载器，顶级类加载器，由 native 实现，加载JAVA_HOME/lib下面的核心类库或-Xbootclasspath选项指定的jar包等虚拟机识别的类。

ExtClassLoader，拓展类加载器，父加载器是BootstrapClassLoader，所以parent==null，加载JAVA_HOME
/lib/ext或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位置中的类。

AppClassLoader，系统类加载器，默认的类加载器，也是自定义类加载器的父加载器，加载当前类所在路径及其引用的第三方类。

3.2 ClassLoader结构

class ClassLoader {/*** 父加载器*/ClassLoader parent;/*** 已经加载的 class* 这个属性是我假想的，为了配合 {@link #findLoadedClass} 的猜想* 实际上 findLoadedClass 是一个 native 方法*/Map<String, Class> loadedClasses;/*** 尝试从已经加载的类中寻找，如果没有返回 null* 真实的实现是 native 方法，我猜想是存了一个类名到类实例的映射，如下* 实际上 findLoadedClass 是一个 native 方法*/Class<?> findLoadedClass(String name){return loadedClasses.get(name);}/*** 当前类加载器尝试去加载一个类，内部实现就是类的加载过程* 为什么说尝试？因为当前类加载器可能无法加载这个类，会返回 null*/Class<?> findClass(String name){}/*** 双亲委派模型的实现，也是类加载的直接入口*/Class<?> loadClass(String name){}
}

3.3 双亲委派模型

当类加载器尝试加载一个类时，会首先查看自己加载过的类。如果没有查找到，不是马上去加载，而是去询问父加载器（这是一个递归的过程）。如果父加载器也没有加载，自己才会加载。双亲委派模型是通过组合的方式实现的，不是继承。自底向上检查，自顶向下加载

3.4 双亲委派的实现

自己实现的伪代码 查看java.lang.ClassLoader类

Class<?> loadClass(String name) {// 查找自己加载过的类Class<?> loadedClass = findLoadedClass(name);if (loadedClass == null) {// 尝试让父类加载if (parent != null) {loadedClass = parent.loadClass(name);} else {// 调用 BootstrapClassLoader 去加载，后面介绍 Java 类加载器的层级结构loadedClass = findBootstrapClassOrNull(name);}// 如果父类没有加载，自己加载if (loadedClass == null) {loadedClass = findClass(name);}}// 返回最终结果，此时还有可能为 null// 如果当前类加载器有子加载器，则子加载器还会尝试加载，否则就会包 ClassNotFoundExceptionreturn loadedClass;
}

3.5 双亲委派的作用

防止类重复加载提高效率

保证核心类安全，无法被替换假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java
API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的类，而直接返回已加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。

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