Java虚拟机是如何加载Java类的

从class文件到内存中的类，按先后顺序需要经过加载、链接、初始化三大步骤。

Java语言的类型可以分为两大类：基本类型(primitive types)和引用类型(reference types)。引用类型细分为四种：类、接口、数组类和泛型参数。泛型参数会在编译过程中被擦除；数组类是由Java虚拟接直接生成的，其他两种则有对应的字节流。

字节流形式：1Java编译器生成的class文件；2在程序内部直接生成；3从网络中获取(网页中内嵌的小程序Java applet)。这些不同形式的字节流，都会被加载到Java虚拟机中，成为类或接口-统称为’类’。

加载

加载，是指查找字节流，并且据此创建类的过程。对于数组类来说，并没有对应的字节流，是由Java虚拟机直接生成的。对于其他的类来说，Java虚拟机则需要借助类加载器来完成查找字节流的过程。

用到的类才会被加载。大部分情况下，不同类的加载阶段是不同的。

类加载器：

启动类加载器(bootstrap class loader)，由C++实现，没有对应的Java对象，用null来指代。
其他类加载器，都是java.lang.ClassLoader的子类，有对应的Java对象。这些类加载器需要先由另一个类加载器如启动类加载器，加载至Java虚拟机中，才能执行类加载。

除了启动类加载器之外，另外两个重要的类加载器是扩展类加载器(extension class loader)和应用类加载器(application class loader)，均由Java核心类库提供。

双亲委派模型：每当一个类加载器接收到加载请求时，它会先将请求转发给父类加载器。在父类加载器没有找到所请求的类的情况下，该类加载器才会尝试去加载。

启动类加载器负责加载最为基础、最为重要的类，如存放在JRE的lib目录下jar包中的类(以及由虚拟机参数-Xbootclasspath指定的类)。

扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。它负责加载相对次要、但又通用的类，如存放在JRE的lib/ext目录下jar包中的类(以及由系统变量java.ext.dirs指定的类)。

应用类加载器的父类加载器则是扩展类加载器。它负责加载应用程序路径下的类。(虚拟机参数-cp/-classpath、系统变量java.class.path或环境变量CLASSPATH所指定的路径)默认情况下，应用程序中包含的类便是由应用类加载器加载的。

Java9 类加载器

Java9引入了模块系统，更改了上述的类加载器。扩展类加载器被改名为平台类加载器(platform class loader)。JavaSE中除了少数几个关键模块-java.base由启动类加载器加载之外，其他的模块均由平台类加载器加载。

自定义类加载器，实现特殊的加载方式。如可以对class文件进行加密，加载时再利用自定义的类加载器对其解密。

除了加载功能，类加载器还提供了命名空间的作用。在Java虚拟机中，类的唯一性是由类加载器实例以及类的全名一同确定的。即便是同一串字节流，经由不同的类加载器加载，也会得到两个不同的类。在大型应用中，借助这一特性，运行同一个类的不同版本。

链接

链接是指将创建成的类合并至Java虚拟机中，使之能够执行的过程。可分为验证、准备、解析三个阶段。(解析阶段为非必须的)

验证，确保被加载类能够满足Java虚拟机的约束条件。

准备，为被加载类的静态字段分配内存。部分Java虚拟机还会在此阶段构造其他跟类层次相关的数据结构，如用来实现虚方法的动态绑定的方法表。

在class文件被加载至Java虚拟机之前，这个类无法知道其他类及其方法、字段所对应的具体地址，甚至不知道自己方法、字段的地址。每当需要引用这些成员时，Java编译器会生成一个符号引用(类名、方法名、参数类型、返回类型等的符号引用)。在运行阶段，这个符号引用一般都能够无歧义的定位到具体目标上。

解析，将上述符号引用解析成为实际引用。如果符号引用指向一个未被加载的类，或者未被加载类的字段或方法，那么解析将触发这个类的加载(但未必触发这个类的链接以及初始化)

Java虚拟机规范并没有要求在连接过程中完成解析。仅规定：如果某些字节码使用了符号引用，那么在执行这些字节码之前，需要完成对这些符号引用的解析。

初始化

在Java代码中，如果要初始化一个静态字段，可以在声明时直接赋值，也可以在静态代码块中对其赋值。

如果直接赋值的静态字段被final所修饰，并且它的类型是基本类型或者字符串时，那么该字段会被Java编译器标记成常量值(ConstantValue)，其初始化直接由Java虚拟机完成。除此之外的直接赋值操作，以及所有静态代码块中的代码，则会被Java编译器置于同一方法中，并把它命名为。

类加载的最后一步是初始化，便是为标记为常量值的字段赋值，以及执行方法的过程。Java虚拟机会通过加锁来确保类的方法仅被执行一次。

只有当初始化完成之后，类才正式成为可执行状态。

类初始化触发情况：

当虚拟机启动时，初始化用户指定的主类；
当遇到用以新建目标类实例的new指令时，初始化new指令的目标类；
当遇到调用静态方法的指令时，初始化该静态方法所在的类；
当遇到访问静态字段的指令时，初始化该静态字段所在的类；
子类的初始化会触发父类的初始化；
如果一个接口定义了default方法，那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化，会触发该接口的初始化；
使用反射API对某个类进行反射调用时，初始化这个类；
当初次调用MethodHandle实例时，初始化该MethodHandle指向的方法所在的类。

Java8引入，相当于方法指针

被动引用不会触发类的初始化：

引用类的静态常量
引用父类的静态字段不会初始化子类
数组定义来引用类不会导致被引用的类的初始化(新建数组只有加载，甚至没有链接，更不会初始化引用的类)

静态内部类单例延迟初始化

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    private static class LazyHolder {
        static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    public static Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }
}

只有当调用Singleton.getInstance时，程序才会访问LazyHolder.INSTANCE，才会触发对LazyHolder的初始化，继而新建一个Singleton的实例。

类初始化是线程安全的，并且仅被执行一次，因此程序可以确保多线程环境下有且仅有一个Singleton实例。