虚拟机类加载机制

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。

在Java语言中，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，这会导致Java语言进行提前编译会面临额外的困难，也会让类加载时稍微增加一些性能开销，但是很灵活。例如，编写一个面向接口的应用程序，可以等到运行时再指定其实际的实现类。

用户可以通过Java预置的或自定义类加载器，让某个本地的应用程序在运行时从网络或其他地方上加载一个二进制流作为其程序代码的一部分。

本文以及后续所提到的“Class文件”也并非特指某个存在于具体磁盘中的文件，而应当是一串二进制字节流，无论其以何种形式存在，包括但不限于磁盘文件、网络、数据库、内存或者动态产生等。

类加载过程

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）。如下图所示:

其中，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）。

类加载时机

关于在什么情况下开始类加载过程的第一个阶段“加载”，并没有约束，但是对于初始化阶段，《Java虚拟机规范》规定了有且只有6种情况必须立即进行初始化（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

1）遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型Java代码场景有：

使用new关键字实例化对象的时候。

读取或设置一个类型的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候。

调用一个类型的静态方法的时候。

2）使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

3）当初始化类的时候，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。

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()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。

5）当使用JDK 7新加入的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

6）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。

以上六种场景中的行为称为对一个类型进行主动引用。

被动引用的例子

/**
* 被动使用类字段演示一：
* 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
**/
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!");
	}
}
/**
* 非主动使用类字段演示
**/
public class NotInitialization {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(SubClass.value);
	}
}

这段代码会打印”SuperClass init!“，并不会打印”SubClass init!”。对于静态字段，只有直接定义这个字段的才会被初始化，这里就是SuperClass，因此在子类中引用父类的静态字段，只会触发父类的初始化方法，而不会触发子类的。

/**
* 被动使用类字段演示二：
* 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上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
**/
public class ConstClass {
	static {
		System.out.println("ConstClass init!");
	}
    
	public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}
/**
* 非主动使用类字段演示
**/
public class NotInitialization {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
	}
}

上述代码运行后，也没有输出“ConstClass init！”，这是因为虽然引用了ConstClass类的常量HELLOWORLD，但是在编译阶段通过常量传播优化，已经将常量值HELLOWORLD存储在NotInitialization类的常量池中，以后NotInitialization对常量ConstClass.HELLOWORLD的引用都会被转化为NotInitialization类对自身常量池的引用了。也就是说，实际上NotInitialization的Class文件之中并没有ConstClass类的符号引用入口，这两个类在编译成Class文件后就已不存在任何联系了。

接口的加载过程与类的加载过程稍有不同，针对接口做一些特殊的说明：

接口也有初始化过程，与类一致，上面的代码都是用静态语句块static{}来输出初始化信息，而接口中不能使用static{}语句块，但是编译器仍然会为接口生成“()”类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。

接口与类真正有所区别的是前面讲述的六种“有且仅有”需要触发初始化场景中的第三种：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

参考

《深入理解Java虚拟机》