前面一篇讲解了类加载的时机，现在来看看 类加载的过程 是怎样的。

目录

一、加载
二、验证
三、准备
四、解析
五、初始化

Java 虚拟机中类加载的全过程，也就是加载、验证、准备、解析和初始化这 5 个阶段所执行的具体动作。

一、加载

“加载” 是 “类加载” 过程的一个阶段，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，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，一个非数组的加载阶段（准确的说，是加载阶段中获取类的二进制流的动作）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() 方法）。
对于数组而言，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要靠类加载器去创建，一个数组创建过程就遵循以下规则：

• 如果数组的组件类型是引用类型，那就递归采用上面所说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（这点很重要，一个类必须与类加载器一起确定唯一性）。
• 如果数组的组件类型不是引用类型（如 in[] 数组），Java 虚拟机将会把数组类标记为与引导类加载器关联。
• 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。

加载阶段完成后看，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。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。

加载阶段与连接阶段（即验证、准备和解析 3 个阶段）的部分内容（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内容，这两个阶段的开始时间仍然保持固定的先后顺序。

二、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。

从整体上看，验证阶段大致上会完成下面 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、符号应用验证。

1. 文件格式验证
   第一阶段要验证字节流是否符合 Class 文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。这一阶段可能包括下面这些验证点：

• 是否以魔数 0xCAFEBABE 开头。
• 主、次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。
• 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类型的常量。
• CONSTNAT_Utf8_info 型的常量中是否有不符合 UTF8 编码的数据。
• .........

2. 元数据的验证
   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，这个阶段可能包括的验证点如下：

• 这个类是否有父类（除了 java.lang.Object 之外，所有的类都应当也有父类）。
• 这个类的父类是否继承了不允许被继承的类（被 final 修饰的类）
• 如果这个类不是抽象类，是否显示了其父类或接口之中要求实现的所有方法。
• 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾。
• ........

3. 字节码验证
   字节码验证是整个验证过程中最复杂的一个阶段，主要母的是通过数据流和控制流分析，确定程序语言是合法的、符合逻辑的。在第三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时间，例如：

• 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，例如不会出现类似这样的情况：在操作栈放置了一个 int 类型的数据，使用时却按 long 类型来加载人本地变量表中。
• 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令撒还给你。
• .......

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的信息进行匹配性校验，通常需要校验下列内容：

• 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。
• 符号引用中的类、字段、方法的访问行（private、protected、public、default）是否可被当前类访问。
• ........

三、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化的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先，这时候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着对象一起分配在 Java 堆中。其次，这里所说的初始化值“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，因为这个时候尚未开始执行任何 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 的动作将在初始化阶段才会执行。下表列出了所有基本数据类型的零值。

基本数据类型的零值.png

上面提到，在“通常情况”下初始值是零值，那相对的会有一些“特殊情况”：如果类字段的字段你属性表中存在 ConstantValue 属性，那在准备阶段变量 value 就会被初始化为 ConstantValue 属性所指定的值，假设上面的类变量 value 的定义变为：
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 ConstantValue 的设置将 value 赋值为 123.

四、解析

解析阶段是虚拟机将 常量池中的符号引用 转化为 直接引用 的过程，在 Class 文件中它以 CONSTANT_Class_info、CONSTANT_FIeldref_info、CONSTANT_Methodref_info 等类型的常量出现。

那解析阶段中所说的符号引用和常量引用又有什么关系呢？

• 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，只要使用时无歧义的定位到目标即可。符号引用于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。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地址、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在。

虚拟机规范之中并未规定解析阶段发生的具体时间，只要求了 anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevitual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield 和 putstatic 这 16 个用于操作符号引用的字节码指令之前。

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 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_InterfaceMethodref_info、CONSTANT_MethodType_info、CONSTANT_MethodHandle_info 和 CONSTANT_InvokeDynamic_info 7 种常量类型。

五、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，除了在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，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码（或者说是字节码）。

在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值（零值），而在初始化阶段，则根据程序猿通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者可以从另外一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器 <clinit>() 方法的过程。先看一下 <clinit>() 方法执行过程中一些可能会影响程序运行行为的特点和细节。

• <clinit>() 方法是有编译期自动收集类中所有 类变量的赋值动作 和 静态语句块（static {} 块） 中语句合并产生的，编译期收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的，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复制，但是不能访问，如下面代码：
• <clinit>() 方法（类构造 器）与 类的构造 函数（或者说实例构造器 <init>() 方法）不同，它不需要显式的调用父类构造器，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。

• 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，如下面的代码，字段 B 的值会是 2 而不是 1。
• <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，也没有对类变量的赋值操作，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，但仍然有类变量的初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成 <clinit>() 方法。但接口与类不同的时，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。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。
• 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，如果多线程同时去初始化一个类，那么只会有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，知道活动线程执行 <clinit>() 方法完毕。如果在一个类的 <clinit>() 方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞。

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