类加载机制初步认识

1.类加载顺序
类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止。整个生命周期包括了：加载，验证，准备，解析，初始化，使用和卸载。其中验证，准备和解析三个部分统称为连接。加载，验证，准备，初始化和卸载的顺序是确定的，而解析阶段则不一定：它在某些情况可以在初始化后阶段之后在开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定。
2.类加载的过程
2.1 加载阶段
在加载阶段，虚拟机需要完成一下三件事情：
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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口。
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）是开发期可控性最强的阶段，因为加载阶段既可以只用系统提供的类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成。加载阶段与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 验证阶段
验证阶段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。包括：文件格式验证，元数据验证，字节码验证和符号引用验证。
2.2.1 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机。包括以下验证点：
1. 魔数是否以0xCAFEBABE开头。
2. 主次版本号时候在当前虚拟机处理范围之内。
3. 常量池的常量中是否有不被支持的常量类型（检查常量tag标志）。
4. 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。
5. CONSTAN_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF8编码的数据。
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内。这阶段的验证是基于字节流进行的，经过了阶段的验证之后，字节流才会进入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进行的。
2.2.2 元数据验证
第二阶段是对字节码描述信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求。包括一些验证：
1. 这个类是否有父类（除Object）。
2. 这个类的父类时候继承类不允许被继承的类（被final修饰的类）
3. 如果这个类是抽象类，是否实现了其父类或接口之中要求实现的所有方法。
4. 类中的字段，方法是否与父类产生了矛盾。
2.2.3 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，主要工作是进行数据流和控制流分析。任务是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。验证以下内容：
1. 保证任意时刻操作数栈的数据类型和指令代码序列都能配合工作。
2. 保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上。
3. 保证方法体中的类型转换是有效的。
2.2.4 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。符号引用验证可以看做对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性的校验。它的目的是确保解析动作能正常执行。常校验以下内容：
1. 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。
2. 在指定类中是否存在符合方法的字段描述符及简单名称所描述的方法和字段。
3. 符号引用中的类，字段和方法的访问性是否可被当前类访问。
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。这些内存都将在方法区中进行分配。首先注意的是：1.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，实例变量会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。2.这个所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。如：public static int value = 123
变量value在准备阶段过后的初始值是零值而不是123，因为这个时候还未开始执行任何Java方法。但是如果类字段的属性表中存在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。如： public static final static value = 123. 那么变量在准备阶段过后的值就是123.
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过的过程。符号引用在Class文件中以CONSTANT_Class_info，CONSTANT_Fieldref_info，CONSTANT_Methodref_info等类型的常量出现。
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，相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不用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内存中存在。
2.4.1 类或接口的解析
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，需要包括以下3个步骤：
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的类加载器去加载这个类C。
2.如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，那将会按照第1点的规则加载数组元素类型，
3.如果上面步骤没有出现任何异常那么C在虚拟机中实际上已经成为一个有效的类或接口了，在完成解析之前还要进行符号引用验证，确认C是否具备对D的访问权限。
2.4.2 字段解析
要解析一个未被解析过的字段符号引用，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。如果这个字段所属的类或接口用C表示，则包含以下步骤：
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上往下递归搜索其父类接口。如果接口包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的引用，查找结束。
3.否则，如果C还继承了其它类，将会按照继承关系从上往下递归搜索其父类，如果在父类中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的引用，查找结束。
4.否则，查找失败，抛出异常。
2.4.3 类方法的解析
类方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也是需要先解析类方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用。接下来虚拟机将会按照以下步骤进行搜索：
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，那就抛出异常。
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，如果有则返回方法的直接引用，查找结束。
3.否则，在类C的父类中递归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，如果有则说明类C是一个抽象类，这时候查找结束，抛出java.lang.AbstractMethodEror异常。
5.否则，查找失败，抛出异常。
在返回成功后，还要对这个方法进行权限验证，如果验证失败则抛出异常。
2.4.4 接口方法解析
接口方法也是需要先解析方法表中的class_index项中索引方法所属的类或接口符号引用。如果解析成功，接下来虚拟机会按照以下步骤进行后续接口方法搜索：
1.与类方法解析相反，如果在接口方法表中发现class_index中索引C是个类而不是接口，那就抛出异常。
2.否则，在接口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，在接口C的父接口递归查找，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.否则查找方法失败，抛出异常。
2.5 初始化
对于初始化阶段，虚拟机规范严格规定有且只有四种情况必须立即对类进行“初始化”：
1.遇到new，getstatic，putstatic，invokestatic 这4条字节码 指令时，如果类没有进行过初始化，则需要触发其初始化。对应情况分别是：使用new关键字实例化对象的时候，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）的时候，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，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3.当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个类。
4.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。
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，则是根据程序员通过程序指定的主观计划去初始化类变量和其他资源，从另一个角度来讲：初始化阶段是执行类构造器，clinit()方法的过程：
clinit()方法是由编译期自动收集类中的所有类变量的复制动作和静态语句块（static{}）中的语句合并产生的， 编译器收集的顺序收语句在源文件中的顺序所决定的，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中可以赋值，但是不能访问。
clinit()方法与实例构造器init()方法不同，它不需要显示调用父类构造器，虚拟机保证子类的clinit()方法执行之前，父类的liinit()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类。
由于父类的clinit()方法先执行，父类定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。
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块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译期可以不生存这个类的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，因此接口与类一样都会生成clinit()方法。与类不同的是，执行的接口的clinit()方法不需要先执行父类的clinit()方法。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。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地加锁和同步，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类的clinit()方法，其他线程都需要阻塞等待。