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。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。
1、类加载的时机
类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期如下图所示：
加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序开始，而解析阶段则不一定：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。
Java虚拟机规范中没有强制约束什么时候开始类加载的第一阶段，而Java虚拟机规范严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”（加载、验证、准备需要在此之前开始）：
（1）遇到new、getstatic、putstatic或者invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化。生成这个4条指令最常见的的场景是：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）、以及调用一个类的静态方法。
（2）使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时，如果类没有进行过初始化，则先进行初始化。
（3）当初始化一个类时，其父类还没有进行初始化，则先触发父类的初始化。
（4）当虚拟机启动时，用户要指定一个执行的主类（包含main（）方法的类），虚拟机会先初始化这个主类。
（5）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初始化，则需要先进行初始化。
这5种场景下对类的引用称为主动引用，除此之外的所有引用类的方式都是被动引用，都不会触发初始化。以下是被动引用的例子：
实例1：通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。对于静态字段只有直接定义这个字段的类才会被初始化。
public class SuperClass{
static{
System.out.println("SuperClass init!");
}
public static int value = 123;
}
public class SubClass extends SuperClass{
static{
System.out.println("SubClass init!");
}
}
public class Test1{
public static void main(String args[]){
System.out.println(SubClass.value);
}
}上述代码会输出"SuperClass init!"
实例2：通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化
public class SuperClass{
static{
System.out.println("SuperClass init!");
}
public static int value = 123;
}
public class SubClass extends SuperClass{
static{
System.out.println("SubClass init!");
}
}
public class Test2{
public static void main(String args[]){
SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
}
}运行后并不会输出"SuperClass init!"，说明并没有触发类SuperClass的初始化阶段。
实例3：静态常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，引用静态常量并不会直接引用到定义该静态常量的类，不会触发初始化。
public class ConstClass{
static{
System.out.println("ConstClass init!");
}
public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}
public class Test3{
public static void main(String[] args){
System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
}
}接口也有初始化过程，但是接口中不能使用static{}语句块，但编译器仍会为接口生成“<clinit>”类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。接口与类初始化的区别还有：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化，但接口初始化时并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用父接口的时候才会初始化。
2、类加载的过程
2.1 加载
在加载阶段虚拟机要完成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。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。
（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。
一个非数组类的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。
对于数组类，本身并不通过类加载器创建，它由Java虚拟机直接创建的。但是数组类的元素类型最终要靠类加载器去创建，一个数组类的创建过程遵循以下规则：
A、如果数组的组件类型是引用类型，那就递归采用普通类的加载过程去加载这个组件类型，数组C将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识。
B、如果数组的组件类型不是引用类型，Java虚拟机将会把数组C标记为引导类加载器关联。
C、数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，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。
注意：加载阶段和连接阶段的部分内容是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始。
2.2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符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成下面4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。
（1）文件格式验证
主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储与方法区之中，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。比如：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，常量池中的常量是否有不被支持的常量类型，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UTF8编码的数据等等。
（2）元数据验证
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。比如：这个类是否有父类，是否继承了不允许被继承的类，如果这个类不是抽象类，是否实现了其父类或者接口中要求实现的所有方法等等。
（3）字节码验证
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。比如：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，保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上，保证方法体中的类型转换是有效的等等。
（4）符号引用校验
此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阶段——解析阶段发生。符号引用校验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。比如：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以及简单名称所描述的方法和字段等等。
2.3准备
准备阶段正式为类变量分配内存并设置类变量初始值，这些变量所使用的内存都将在方法中进行分配。
注意：这个阶段进行内存分配的仅包括类变量（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对象一起分配在Java堆中。这里的初始值是数据类型的零值。比如：public static int value = 123;变量value在准备阶段后的初始值是0，而把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。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value就会初始化为ConstantlyValu额属性所指定的值。
2.4解析
解析阶段是虚拟机讲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已经加载到内存中。
直接引用：直接引用可以是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相关的，如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在了。
虚拟机规范中要求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。所以虚拟机需要根据需要判断到底是在类被加载时对常量池中的符号引用进行解析，还是等到符号引用将要被使用前才去解析它。
类和接口的解析
比如在D类中把解析符号引用N解析为接口C的直接引用，步骤如下：
（1）如果C不是一个数组类型，那虚拟机将会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载C，在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又会触发其他相关类的加载动作。
（2）如果C是一个数组类型，并且数组元素为对象，那将会按照（1）的规则加载数组元素类型，接着由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。
（3）如果面步骤没有异常，那C在虚拟机中已经成为一个有效的类或接口了，但解析完之前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。
字段解析
（1）首先会对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info字符引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用，成功的话，用C代表这个类或接口。
（2）如果C本身包含了简单名称和字段描述符都与目标匹配的字段。则返回这个字段的直接引用。
（3）否则，如果在C中实现了接口，就按照继承关系从下往上递归搜索各个接口和他的父接口，找到则返回。
（4）否则，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，找到则返回。
（5）否则，查找失败。
查找成功后要对这个字段进行权限验证，不具备访问权限的话要抛出异常。
如果在一个同名字段同时出现在C的接口和父类中，那编译器可能拒绝编译。
类方法解析
（1）首先会解析出类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或者接口的符号引用，成功的话，用C代表这个类或接口。
（2）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，抛出异常。通过检查后，在类C中查找是否有简单名称金额描述符都与目标相匹配的方法，如果有返回这个方法的直接引用。
（3）否则，在类C的父类中递归查找，有的话返回。
（4）否则，在类C实现的接口列表及它们的父接口中递归查找，存在的话，说明C是一个抽象类，抛出异常。
（5）否则，查找失败，抛出异常。
接口方法解析
（1）首先会解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或者接口的符号引用，成功的话，用C代表这个类或接口。
（2）如果在接口方法表中发现class_index中索引的C是个类，抛出异常。通过检查后，在类C中查找是否有简单名称金额描述符都与目标相匹配的方法，如果有返回这个方法的直接引用。
（3）否则，在接口C中查找，有的话返回。
（4）否则，在接口C的父接口中递归查找，有的话返回。
（5）否则，查找失败，抛出异常。
2.5初始化
初始化阶段才真正开始执行类中定义的Java程序代码，在这一阶段执行类构造器<clinit>方法。
<clinit>方法由编译器自动收集类中的所有类变量的复制动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的，顺序由语句在源文件中出现的顺序决定。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只能赋值不能访问。
虚拟机会保证在子类<clinit>()方法执行前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。所以父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。
在没有静态语句块也没有对静态变量的赋值操作的类中不会有<clinit>方法
执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。接口的实现类在初始化时也不会执行接口的<clinit>()方法。
3、类加载器
对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在java虚拟机中的唯一性。
绝大部分Java程序会使用到以下3中系统提供的类加载器：
（1）启动类加载器：使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分，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类库加载到虚拟机内存中，无法被Java程序直接引用。
（2）扩展类加载器：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。
（3）应用程序类加载器：负责加载用户类路径上所指定的类库，开发者可以直接使用，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般程序中默认使用此加载器。
双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去加载这个类，而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，因此所有的加载器请求最终都应传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器无法完成这个加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载。如下图是双亲委派模型的层次关系：
使用双亲委派模型的好处是Java类随着它的加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object,它存放在rt.jar中，无论哪一个类加载器加载它，最后都会委派给启动类加载器，因此可以保证Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。
