Class 文件需要加载到虚拟机中之后才能运行和使用，那么虚拟机是如何加载这些 Class 文件呢？
系统加载 Class 类型的文件主要三步：加载->连接->初始化。连接过程又可分为三步：验证->准备->解析。
类加载过程.png

加载

在加载阶段， Java 虚拟机需要完成以下三件事情：

  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。

加载阶段与连接阶段的部分动作（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的。

验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合《Java 虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段会完成四个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

文件格式验证

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。
例如：

  • 是否以魔数 0xCAFEBABE 开头。
  • 主、次版本号是否在当前 Java 虚拟机接受范围之内。
  • 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）。

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之后，这段字节流才被允许进入 Java 虚拟机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上进行的，不会再直接读取、操作字节流了。

元数据验证

第二阶段的主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在与《Java 语言规范》定义相悖的元数据信息。
例如：

  • 这个类是否有父类（除了 java.lang.Object 之外，所有的类都应当有父类）。
  • 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）。

字节码验证

主要目的是通过数据流分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。对类的方法体进行校验分析，保证被校验的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。
例如：

  • 保证任何跳转指令都不会跳转到方法体以外的字节码指令上。

符号引用验证

最后一个阶段的校验行为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。
例如：

  • 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号方法的字段描述符及简单名称所描述的方法和字段。

准备

准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被 static 修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。

对于该阶段有以下几点需要注意：

  1. 这时候进行内存分配的仅包括类变量，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块分配在 Java 堆中。
  2. 从概念上讲，类变量所使用的内存都应当在方法区中进行分配。不过有一点需要注意的是：JDK 7 之前，HotSpot 使用永久代来实现方法区的时候，实现是完全符合这种逻辑概念的。 而在 JDK 7 及之后，HotSpot 已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移动到堆中，这个时候类变量则会随着 Class 对象一起存放在 Java 堆中。
  3. 这里所设置的初始值”通常情况”下是数据类型默认的零值（如 0、0L、null、false 等），比如我们定义了 public static int value=111 ，那么 value 变量在准备阶段的初始值就是 0 而不是 111（初始化阶段才会赋值）。特殊情况：比如给 value 变量加上了 final 关键字 public static final int value=111，那么准备阶段 value 的值就被赋值为 111。

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。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、方法句柄和调用限定符 7 类符号引用进行。

符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。在程序实际运行时，只有符号引用是不够的，举个例子：在程序执行方法时，系统需要明确知道这个方法所在的位置。Java 虚拟机为每个类都准备了一张方法表来存放类中所有的方法。当需要调用一个类的方法的时候，只要知道这个方法在方法表中的偏移量就可以直接调用该方法了。通过解析操作符号引用就可以直接转变为目标方法在类中方法表的位置，从而使得方法可以被调用。

综上，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，也就是得到类或者字段、方法在内存中的指针或者偏移量。

初始化

初始化阶段是执行初始化方法 ()方法的过程，是类加载的最后一步，这一步 JVM 才开始真正执行类中定义的 Java 程序代码(字节码)。
说明： ()方法是编译之后自动生成的。
对于 ()方法的调用，虚拟机会自己确保其在多线程环境中的安全性。因为 ()方法是带锁线程安全，所以在多线程环境下进行类初始化的话可能会引起多个进程阻塞，并且这种阻塞很难被发现。
对于初始化阶段，虚拟机严格规范了有且只有 5 种情况下，必须对类进行初始化(只有主动去使用类才会初始化类)：

  1. 当遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这 4 条直接码指令时，比如new一个类，读取一个静态字段(未被 final 修饰)、或调用一个类的静态方法时。
    • 当 jvm 执行 new 指令时会初始化类。即当程序创建一个类的实例对象。
    • 当 jvm 执行 getstatic 指令时会初始化类。即程序访问类的静态变量(不是静态常量，常量会被加载到运行时常量池)。
    • 当 jvm 执行 putstatic 指令时会初始化类。即程序给类的静态变量赋值。
    • 当 jvm 执行 invokestatic 指令时会初始化类。即程序调用类的静态方法。
  2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用时如 Class.forname(“…”), newInstance()等等。如果类没初始化，需要触发其初始化。
  3. 初始化一个类，如果其父类还未初始化，则先触发该父类的初始化。
  4. 当虚拟机启动时，用户需要定义一个要执行的主类 (包含 main 方法的那个类)，虚拟机会先初始化这个类。
  5. MethodHandle 和 VarHandle 可以看作是轻量级的反射调用机制，而要想使用这 2 个调用， 就必须先使用 findStaticVarHandle 来初始化要调用的类。
  6. 「补充，来自issue745」当一个接口中定义了 JDK8 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。