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深入理解JVM(③)虚拟机的类加载时机

开发技术 开发技术 3周前 (06-24) 27次浏览

前言

Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存,并对数据进行校验、转换解析和初始化,最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型,这个过程被称为虚拟机的类加载机制。

类加载的时机

一个类型从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载除内存为止,它的生命周期将会经历加载(Loading)验证(Verification)准备(Preparation)解析(Resolution)初始化(Initialization)使用(Using)和 卸载(Unloading)、七个阶段,其中验证、准备、解析三个部分统称为连接(Linking)
类的生命周期如下图:
深入理解JVM(③)虚拟机的类加载时机
其实加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的,类型的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始,而解析阶段则不一定:它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始,这是为了支持Java语音的运行时绑定特性(也称为动态绑定或晚期绑定)
在什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段“加载”,《Java虚拟机规则》中并没有进行强制约束,但是对于初始化阶段《Java虚拟机规范》则是严格规定了有且只有以下六种情况必须立即对类进行“初始化”。

  1. 遇到newgetstaticputstaticinvokestatic这四条字节码指令时,如果类型没有进行过初始化,则需要先触发其初始化阶段
    涉及到这四条指令的典型场景有:
  • 使用new关键字实例化对的时候。
  • 读取或设置一个类型的静态字段(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。
  • 调用一个类型的静态方法的时候。
  1. 使用 java.lang.reflect 包的方法对类型进行反射调用的时候,如果类型没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。
  2. 当初始化类型的时候,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。
  3. 当虚拟机启动时,用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的那个类),虚拟机会先初始化这个主类。
  4. 当使用JDK7新加入的动态语言支持时,如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄,并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。
  5. 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。
    除了以上的这个六种场景外,所有引用类型的方式都不会触发初始化,称为被动引用。
    下面来看一下哪些是被动引用:

例子🌰1:

父类

package com.jimoer.classloading;

/**
 * @author jimoer
 * @date Create in 2020/06/24 16:08
 * @description 通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化。
 */
public class FatherClass {

    static {
        System.out.println("FatherClass init!!!!!");
    }

    public static int value = 666;

}

子类

package com.jimoer.classloading;

public class SonClass extends FatherClass{

    static {
        System.out.println("SonClass init!!!");
    }

}

测试类

@Test
public void testInitClass(){
    System.out.println(SonClass.value);
}

运行结果:

FatherClass init!!!!!
666

通过运行结果我们看到,只输出了“FatherClass init!!!!!”,并没有输出“SubClass init!!!”,这是因为对于使用静态字段,只有直接定义这个字段的类才会被初始化,因此通过子类来引用父类中定义的静态字段,并不会初始化子类。

例子🌰2:

/**
 * 通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化
 */
@Test
public void testInitClass2(){
    FatherClass[] fathers = new FatherClass[5];
}

运行结果:未打印任何信息。
通过运行结果我们发现,并没有打印出 FatherClass init!!!!! ,这说明并没有触发Father类的初始化阶段。但是这段代码里面触发了另一个名为“[Lcom.jimoer.classloading.FatherClass”的类的初始化阶段,它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承与java.lang.Object的子类,创建动作由字节码newarray触发。这个类代表了一个元素类型为FatherClass的一维数组,数组中应用的属性和方法(length属性和clone()方法)都实现在这个类里。

例子🌰3:

/**
 * @author jimoer
 * 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中,
 * 本质上没有直接引用到定义常量的类,
 * 因此不会触发定义常量的类的初始化。
 */
public class ConstantClass {
    
    static {
        System.out.println("ConstantClass init !!!");
    }
    
    public static final String CLASS_LOAD = "class load test !!!";
    
}

使用

/**
 * 使用常量
 */
@Test
public void testInitClass3(){
    System.out.println(ConstantClass.CLASS_LOAD);
}

运行结果:

class load test !!!

通过运行结果,我们看到当在使用一个类的常量时,并不会初始化定义了常量的类。这是因为虽然在Java源码中确实引用了ConstatClass的类的常量CLASS_LOAD,但其实在编译阶段通过常量传播优化,已经将此常量的值“class load test !!!”直接存储在使用常量的类中的常量池中了,所以在使用ConstantClass.CLASS_LOAD时候,实际上都被转化为在使用类自身的常量池的引用了。

接口也是有初始化过程的,上面的代码都是用静态语句块“static {}”来输出初始化信息的,而接口中不能使用static{}语句块,但编译器仍然会为接口生成“()”类构造器,用于初始化接口中所定义的成员变量。
还有一点接口与类不同,当一个类在初始化时,要求其父类全部都已经初始化过了,但是在一个接口初始化时,并不要求其父接口全部都完成了初始化,只有在真正使用到父接口的时候(例如引用接口中的常量)才会初始化。


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