7.1 类加载的时机
类从被加载到虚拟机内存开始，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）和卸载（UNloading）7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分称为连接（Linking）。
加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序的确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析却不一定：它在某种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）。
Java 虚拟机规范中对加载并没有强制约束，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仅有5种情况必须立即对类进行初始化（而加载、验证、准备自然在初始化之前）：
1. 遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这4条字节码指令时。生成4条指令最常见的 java 场景是：使用 new 关键字实例化对象、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）是时候，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。
3. 当初始化一个类的时候
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() 的类），虚拟机会先初始化这个类。
5. 当时用 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。
7.2 类的加载过程
7.2.1 加载
在加载阶段，虚拟机需要完成以下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. 在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，做为方法区这个类的各种数据的访问入口。
相对与类加载过程的其他阶段，一个非数组类的加载阶段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，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员可以通过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()。
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虚拟机直接创建的。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最终是靠类加载器去创建，一个数组类创建过程就遵循以下规则：
1. 如果数组的组件类型是引用类型，那就递归采用本节定义的加载过程去加载这个组件类型，数组类将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识。
2. 如果数组的组件类型不是引用类型（int[]），java虚拟机将会数组类标记为引导类加载器关联。
3. 数组类的可见性与它的组件类型可见性一致，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。
加载阶段与连接阶段的部分内容是交叉进行的，加载阶段未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段中进行的动作，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。
7.2.2 验证
验证是接连阶段的第一步，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符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。
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。
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个验证全部都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，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最复杂的一个阶段，主要目的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。
4. 符号引用验证
最后一个阶段的校验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个阶段——解析中发生。符号引用验证可以看作是对类自身以外的信息进行匹配性校验。
符号引用验证的目的是确保解析动作能正常执行，如果无法通过符号引号验证，那么将会抛出一个 java.lang.IncompatiableClassChangeError 异常的子类，如：java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError 等。
7.2.3 准备
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，这些变量所使用的的内存都将在方法区中进行分配。
这个时候进行内存分配的仅包含类变量（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到java堆中。另外初始值是数据类型的零值。
public static int value = 123；
那变量 value 在准备阶段的初始值为 0，在把 value 赋值为 123 的 putstatic 指令执行的，所以 value 赋值为123，在初始化阶段执行。
但是会有相对的特殊情况
public static final value = 123；
编译时 javac 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。
7.2.4 解析
解析阶段是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：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，引用的目标不一定已经再加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是他能能接受的符号引用是一致的，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：直接引用可以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，那引用目标必定已经在内存中存在。
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、方法和句柄和调用点限定符7类符号引用进行，分别对应于常量池的 CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_InterfacdeMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info和CONSTANT_InvokeDynamic_info 7种常亮类型。
7.2.4.1 类或接口类型的解析
假设当前代码所处的类为D，如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口C的直接引用，那虚拟机完成整改解析过程需要以下3个步骤：
1. 如果C不是一个数字类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类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，又可能触发其他相关类的加载动作，例如加载这个类的父类或实现的接口。一旦这个记在过程出现了任何异常，解析过程就宣告失败。
2. 如果C是一个数组的类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类似 “[Ljava/lang/Object” 的形式，那将会按照第1点的规则加载元素类型。如果N的描述符号前面所假设的形式，需要加载的元素类型就是 “java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成一个代表数组维度和元素的数组对象。
3. 如果上面的步骤没有出现任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经称为了一个有效的类或接口了，但在解析完成之前还要进行符号引用的验证，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 异常。
7.2.4.2 字段解析
要解析一个未被解析的字段符号引用，首先将会对字段表内 class_index 项中索引的 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引用的过程中出现了任何异常，都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功完成，那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本身就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。
2. 否则，如果在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它的父接口，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，如果C不是 java.lang.Object 的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，如果在父类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，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， 如果发现不具备访问权限，将抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常。
7.2.4.3 类方法解析
类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也需要先解析出类方法表的 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，我们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按照如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，如果在类方法表中发现 class_index 中索引的 C 是个接口，那就直接抛出 java.lang.IncompatiableClassChangeError 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，在类C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，在类C实现的接口列表及它们的父接口之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，如果存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，这是查找结束，抛出 java.lang.AbstractMethodError 异常。
5. 否则，宣告查找失败，抛出 java.lang.NoSuchMethodError 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， 如果发现不具备访问权限，将抛出 java.lang.IllegalAccessError 异常。
7.2.4.4 接口方法解析
接口方法也需要先解析出接口方法表 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，接下来虚拟机将会按照如下步骤进行后续的接口方法搜索。
1. 与类方法不同，如果接口方法表中发现 class_index 中的索引C是个类而不是接口，那就直接抛出 java.lang.IncompatiableClassChangeError 异常。
2. 否则，在接口C中查找是否有简单名称或描述符都与目标匹配的方法，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，知道到 java.lang.Object 类，看是否有简单名称和描述符都与目标相匹配的方法，如果有有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
4. 否则，宣告方法查找失败，抛出 java.lang.NoSuchMethodError 异常。
7.2.5 初始化
类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了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，其余动作完成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 代码。
在准备阶段变量已经赋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制定的主观计划去初始化变量的其他资源。简单来说，初始化阶段就是执行类构造器<clinit>()方法的过程。
1. <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>()方法与类构函数（<init>()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，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，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的变量赋值操作。
4. <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快，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生产<clinit>()方法。
5. 接口中不能使用静态语句快，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。但是接口和类不同是，执行接口<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()方法。只有父接口中定义的变量使用时，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，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行<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，就可能造成多个进程阻塞。需要注意的是，其他线程虽然会被阻塞，但是如果执行<clinit>()方法的那条线程退出<clinit>()方法后，其他线程唤醒之后不会进入<clinit>()方法。同一个类加载器下，一个类型的<clinit>()方法只会执行一次。
