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加载
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。
《Java虚拟机规范》对这三点要求其实并不是特别具体，留给虚拟机实现与Java应用的灵活度都是
相当大的。例如“通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流”这条规则，它并没有指明二
进制字节流必须得从某个Class文件中获取，确切地说是根本没有指明要从哪里获取、如何获取。仅仅
这一点空隙，Java虚拟机的使用者们就可以在加载阶段搭构建出一个相当开放广阔的舞台，Java发展历
程中，充满创造力的开发人员则在这个舞台上玩出了各种花样，许多举足轻重的Java技术都建立在这
一基础之上，例如：
·从ZIP压缩包中读取，这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。
运行时计算生成，这种场景使用得最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用
了ProxyGenerator.generateProxyClass()来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流。
·由其他文件生成，典型场景是JSP应用，由JSP文件生成对应的Class文件。
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，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一部
分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。
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。
Java语言本身是相对安全的编程语言（起码对于C/C++来说是相对安全的），使用纯粹的Java代码
无法做到诸如访问数组边界以外的数据、将一个对象转型为它并未实现的类型、跳转到不存在的代码
行之类的事情，如果尝试这样去做了，编译器会毫不留情地抛出异常、拒绝编译。
Class文件并不一定只能由Java源码编译而来，它可以使用包括靠键盘0和1直接在二进制编辑器中敲出
Class文件在内的任何途径产生。上述Java代码无法做到的事情在字节码层面上都是可以实现的，至少
语义上是可以表达出来的。（因为虚拟机是解释字节码，而不是仅针对java，可能是其他语言，所以class文件支持的功能要比java多）Java虚拟机如果不检查输入的字节流，对其完全信任的话，很可能会因为
载入了有错误或有恶意企图的字节码流而导致整个系统受攻击甚至崩溃，所以验证字节码是Java虚拟
机保护自身的一项必要措施。
验证阶段大致上会完成下面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。
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）。
·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。
·CONSTANT_Utf8_info型的常量中是否有不符合UTF-8编码的数据。
·Class文件中各个部分及文件本身是否有被删除的或附加的其他信息。
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之内，格式上符
合描述一个Java类型信息的要求。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。
2.元数据验证
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，是否实现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（例如覆盖了父类的final字段，或者出现不符合规则的方
法重载，例如方法参数都一致，但返回值类型却不同等）。
·……
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。
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。在第二阶段对元数据信息中的数据类型校验完毕以后，这阶段就要
对类的方法体（Class文件中的Code属性）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
虚拟机安全的行为，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，例如不会出现类似于“在操作
栈放置了一个int类型的数据，使用时却按long类型来加载入本地变量表中”这样的情况。
·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。
·保证方法体中的类型转换总是有效的，例如可以把一个子类对象赋值给父类数据类型，这是安全
的，但是把父类对象赋值给子类数据类型，甚至把对象赋值给与它毫无继承关系、完全不相干的一个
数据类型，则是危险和不合法的。
由于数据流分析和控制流分析的高度复杂性，Java虚拟机的设计团队为了避免过多的执行时间消
耗在字节码验证阶段中，在JDK 6之后的Javac编译器和Java虚拟机里进行了一项联合优化，把尽可能
多的校验辅助措施挪到Javac编译器里进行。具体做法是给方法体Code属性的属性表中新增加了一项名
为“StackMapTable”的新属性，这项属性描述了方法体所有的基本块（Basic Block，指按照控制流拆分
的代码块）开始时本地变量表和操作栈应有的状态，在字节码验证期间，Java虚拟机就不需要根据程
序推导这些状态的合法性，只需要检查StackMapTable属性中的记录是否合法即可。这样就将字节码验
证的类型推导转变为类型检查，从而节省了大量校验时间。理论上StackMapTable属性也存在错误或被
篡改的可能，所以是否有可能在恶意篡改了Code属性的同时，也生成相应的StackMapTable属性来骗过
虚拟机的类型校验，则是虚拟机设计者们需要仔细思考的问题。
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[3]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（常量池中的各种符号
引用）的各类信息进行匹配性校验，通俗来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部
类、方法、字段等资源。本阶段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、方法的可访问性（private、protected、public、<package>）是否可被当
前类访问。
·……
符号引用验证的主要目的是确保解析行为能正常执行，如果无法通过符号引用验证，Java虚拟机
将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError的子类异常，典型的如：
java.lang.IllegalAccessError、java.lang.NoSuchFieldError、java.lang.NoSuchMethodError等。
验证阶段对于虚拟机的类加载机制来说，是一个非常重要的、但却不是必须要执行的阶段，因为
验证阶段只有通过或者不通过的差别，只要通过了验证，其后就对程序运行期没有任何影响了。如果
程序运行的全部代码（包括自己编写的、第三方包中的、从外部加载的、动态生成的等所有代码）都
已经被反复使用和验证过，在生产环境的实施阶段就可以考虑使用-Xverify：none参数来关闭大部分的
类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。
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。
关于准备阶段，还有两个容易产生混淆的概念笔者需要着重强调，首先是这时候进行内存分配的
仅包括类变量，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。其
次是这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。
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，因为这时尚未开始执行任何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的动作要到类的初始化阶段才会被执行。
上面提到在“通常情况”下初始值是零值，那言外之意是相对的会有某些“特殊情况”：如果类字段
的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量值就会被初始化为ConstantValue属性所指定
的初始值，假设上面类变量value的定义修改为：
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Con-stantValue的设置
将value赋值为123。
解析
解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。
·符号引用（Symbolic References）：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
用的目标并不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。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都是一致的。
直接引用（Direct References）：直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能
间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局直接相关的，同一个符号引用在不同虚
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虚拟机
的内存中存在。
类似地，对方法或者字段的访问，也会在解析阶段中对它们的可访问性（public、protected、
private、<package>）进行检查，至于其中的约束规则已经是Java语言的基本常识，笔者就不再赘述
了。
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，那虚拟机完成整个解析的过程需要包括以下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。在加载过程中，由于元数据验证、字节码验证的需要，又可能触发其他相关类的加载动作，例
如加载这个类的父类或实现的接口。一旦这个加载过程出现了任何异常，解析过程就将宣告失败。
2）如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，也就是N的描述符会是类
似“[Ljava/lang/Integer”的形式，那将会按照第一点的规则加载数组元素类型。如果N的描述符如前面所
假设的形式，需要加载的元素类型就是“java.lang.Integer”，接着由虚拟机生成一个代表该数组维度和元
素的数组对象。
3）如果上面两步没有出现任何异常，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，
但在解析完成前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。如果发现不具备访问权限，
将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。
针对上面第3点访问权限验证，在JDK 9引入了模块化以后，一个public类型也不再意味着程序任
何位置都有它的访问权限，我们还必须检查模块间的访问权限。
如果我们说一个D拥有C的访问权限，那就意味着以下3条规则中至少有其中一条成立：
·被访问类C是public的，并且与访问类D处于同一个模块。
·被访问类C是public的，不与访问类D处于同一个模块，但是被访问类C的模块允许被访问类D的
模块进行访问。
·被访问类C不是public的，但是它与访问类D处于同一个包中。
字段解析
如果在解析这个
类或接口符号引用的过程中出现了任何异常，都会导致字段符号引用解析的失败。如果解析成功完
成，那把这个字段所属的类或接口用C表示，《Java虚拟机规范》要求按照如下步骤对C进行后续字段
的搜索：
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，则返回这个字段的直接引
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下往上递归搜索各个接口和它的父接口，
如果接口中包含了简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，则返回这个字段的直接引用，查找
结束。
3）否则，如果C不是java.lang.Object的话，将会按照继承关系从下往上递归搜索其父类，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，则返回这个字段的直接引用，查找结束。
4）否则，查找失败，抛出java.lang.NoSuchFieldError异常。
如果查找过程成功返回了引用，将会对这个字段进行权限验证，如果发现不具备对字段的访问权
限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。
以上解析规则能够确保Java虚拟机获得字段唯一的解析结果，但在实际情况中，Javac编译器往往
会采取比上述规范更加严格一些的约束，譬如有一个同名字段同时出现在某个类的接口和父类当中，
或者同时在自己或父类的多个接口中出现，按照解析规则仍是可以确定唯一的访问字段，但Javac编译
器就可能直接拒绝其编译为Class文件。在代码清单7-4中演示了这种情况，如果注释了Sub类中
的“public static int A=4；”，接口与父类同时存在字段A，那Oracle公司实现的Javac编译器将提示“The
field Sub.A is ambiguous”，并且会拒绝编译这段代码。
方法解析
方法解析的第一个步骤与字段解析一样，也是需要先解析出方法表的class_index [4]项中索引的方
法所属的类或接口的符号引用，如果解析成功，那么我们依然用C表示这个类，接下来虚拟机将会按
照如下步骤进行后续的方法搜索：
1）由于Class文件格式中类的方法和接口的方法符号引用的常量类型定义是分开的，如果在类的
方法表中发现class_index中索引的C是个接口的话，那就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError
异常。
2）如果通过了第一步，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
返回这个方法的直接引用，查找结束。
3）否则，在类C的父类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，如果有则返
回这个方法的直接引用，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，如果存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，这时候查找结束，抛出
java.lang.AbstractMethodError异常。
5）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError。
最后，如果查找过程成功返回了直接引用，将会对这个方法进行权限验证，如果发现不具备对此
方法的访问权限，将抛出java.lang.IllegalAccessError异常。
接口方法解析
1）与类的方法解析相反，如果在接口方法表中发现class_index中的索引C是个类而不是接口，那
么就直接抛出java.lang.IncompatibleClassChangeError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的父接口中递归查找，直到java.lang.Object类（接口方法的查找范围也会包括
Object类中的方法）为止，看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）对于规则3，由于Java的接口允许多重继承，如果C的不同父接口中存有多个简单名称和描述符
都与目标相匹配的方法，那将会从这多个方法中返回其中一个并结束查找，《Java虚拟机规范》中并
没有进一步规则约束应该返回哪一个接口方法。但与之前字段查找类似地，不同发行商实现的Javac编译器有可能会按照更严格的约束拒绝编译这种代码来避免不确定性。
5）否则，宣告方法查找失败，抛出java.lang.NoSuchMethodError异常。
初始化
类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤，之前介绍的几个类加载的动作里，除了在加载阶
段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由Java虚拟机来主导控
制。直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程
序。
初始化阶段就是执行类构造器<clinit>()方法的过程。<clinit>()并不是程序员在Java代码中直接编写
的方法，它是Javac编译器的自动生成物。
·<clinit>()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的
语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的，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赋值，但是不能访
问。
public class Test {
static {
i = 0; // 给变量复制可以正常编译通过
System.out.print(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用”
}
static int i = 1;
}·<clinit>()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器<init>()方法）不同，它不需要显
式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的<clinit>()方法执行前，父类的<clinit>()方法已经执行
完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的<clinit>()方法的类型肯定是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。
·<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。但接口与类不同的是，执行接口的<clinit>()方法不需要先执行父接口的<clinit>()方法，
因为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。此外，接口的实现类在初始化时也
一样不会执行接口的<clinit>()方法。
·Java虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁同步，如果多个线程同
时去初始化一个类，那么只会有其中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，直到活动线程执行完毕<clinit>()方法。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，那就
可能造成多个进程阻塞[2]（其他线程虽然会被阻塞，但如果执行＜clinit＞()方法的那条线程退出＜clinit＞()方法后，其他线程唤醒后则不会再次进入＜clinit＞()方法。同一个类加载器下，一个类型只会被初始化一
次）
static class DeadLoopClass {
static {
// 如果不加上这个if语句，编译器将提示“Initializer does not complete normally”
并拒绝编译
if (true) {
System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
while (true) {
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
Runnable script = new Runnable() {
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread() + "start");
DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();
System.out.println(Thread.currentThread() + " run over");
}
};
Thread thread1 = new Thread(script);
Thread thread2 = new Thread(script);
thread1.start();
thread2.start();
}运行结果如下，一条线程在死循环以模拟长时间操作，另外一条线程在阻塞等待：
Thread[Thread-0,5,main]start
Thread[Thread-1,5,main]start
Thread[Thread-0,5,main]init DeadLoopClass