Java系列笔记(1) - Java 类加载与初始化

目录

  1. 类加载器
  2. 动态加载
  3. 链接
  4. 初始化
  5. 示例

类加载器

在了解Java的机制之前,需要先了解类在JVM(Java虚拟机)中是如何加载的,这对后面理解java其它机制将有重要作用。

每个类编译后产生一个Class对象,存储在.class文件中,JVM使用类加载器(Class Loader)来加载类的字节码文件(.class),类加载器实质上是一条类加载器链,一般的,我们只会用到一个原生的类加载器,它只加载Java API等可信类,通常只是在本地磁盘中加载,这些类一般就够我们使用了。如果我们需要从远程网络或数据库中下载.class字节码文件,那就需要我们来挂载额外的类加载器。

一般来说,类加载器是按照树形的层次结构组织的,每个加载器都有一个父类加载器。另外,每个类加载器都支持代理模式,即可以自己完成Java类的加载工作,也可以代理给其它类加载器。

类加载器的加载顺序有两种,一种是父类优先策略,一种是是自己优先策略,父类优先策略是比较一般的情况(如JDK采用的就是这种方式),在这种策略下,类在加载某个Java类之前,会尝试代理给其父类加载器,只有当父类加载器找不到时,才尝试自己去加载。自己优先的策略与父类优先相反,它会首先尝试子经济加载,找不到的时候才要父类加载器去加载,这种在web容器(如tomcat)中比较常见。

动态加载

不管使用什么样的类加载器,类,都是在第一次被用到时,动态加载到JVM的。这句话有两层含义:

  1. Java程序在运行时并不一定被完整加载,只有当发现该类还没有加载时,才去本地或远程查找类的.class文件并验证和加载;
  2. 当程序创建了第一个对类的静态成员的引用(如类的静态变量、静态方法、构造方法——构造方法也是静态的)时,才会加载该类。Java的这个特性叫做:动态加载

需要区分加载和初始化的区别,加载了一个类的.class文件,不以为着该Class对象被初始化,事实上,一个类的初始化包括3个步骤:

  • 加载(Loading),由类加载器执行,查找字节码,并创建一个Class对象(只是创建);
  • 链接(Linking),验证字节码,为静态域分配存储空间(只是分配,并不初始化该存储空间),解析该类创建所需要的对其它类的应用;
  • 初始化(Initialization),首先执行静态初始化块static{},初始化静态变量,执行静态方法(如构造方法)。

链接

Java在加载了类之后,需要进行链接的步骤,链接简单地说,就是将已经加载的java二进制代码组合到JVM运行状态中去。它包括3个步骤:

  1. 验证(Verification),验证是保证二进制字节码在结构上的正确性,具体来说,工作包括检测类型正确性,接入属性正确性(public、private),检查final class 没有被继承,检查静态变量的正确性等。
  2. 准备(Preparation),准备阶段主要是创建静态域,分配空间,给这些域设默认值,需要注意的是两点:一个是在准备阶段不会执行任何代码,仅仅是设置默认值,二个是这些默认值是这样分配的,原生类型全部设为0,如:float:0f,int 0, long 0L, boolean:0(布尔类型也是0),其它引用类型为null。
  3. 解析(Resolution),解析的过程就是对类中的接口、类、方法、变量的符号引用进行解析并定位,解析成直接引用(符号引用就是编码是用字符串表示某个变量、接口的位置,直接引用就是根据符号引用翻译出来的地址),并保证这些类被正确的找到。解析的过程可能导致其它的类被加载。需要注意的是,根据不同的解析策略,这一步不一定是必须的,有些解析策略在解析时递归的把所有引用解析,这是early resolution,要求所有引用都必须存在;还有一种策略是late resolution,这也是Oracle 的JDK所采取的策略,即在类只是被引用了,还没有被真正用到时,并不进行解析,只有当真正用到了,才去加载和解析这个类。

初始化

注 意:在《Java编程思想》中,说static{}子句是在类第一次加载时执行且执行一次(可能是笔误或翻译错误,因为此书的例子显示static是在第 一次初始化时执行的),《Java深度历险》中说 static{}是在第一次实例化时执行且执行一次,这两种应该都是错误的,static{}是在第一次初始化时执行,且只执行一次;用下面的代码可以判 定出来:

package myblog.classloader;

/**
 * @project MyBlog
 * @create 2013年6月18日 下午7:00:45
 * @version 1.0.0
 * @author 张广
 */
public class Toy {
        private String name;

        public static final int price=10;
        
        static {
                System.out.println("Initializing");
        }

        Toy() {
                System.out.println("Building");
        }
        Toy(String name) {
                this.setName(name);
        }

        public static String playToy(String player) {
                String msg = buildMsg(player);
                System.out.println(msg);
                return msg;
        }
        private String buildMsg(String player) {
                String msg = player + " plays " + name;
                return msg;
        }
}
  // 对上面的类,执行下面的代码:
  Class c = Class.forName("myblog.rtti.Toy");
  // c.newInstance();

可以看到,不实例化,只执行forName初始化时,仍然会执行static{}子句,但不执行构造方法,因此输出的只有Initializing,没有Building。

关于初始化,@阿春阿晓 在本文的评论中给出了很详细的场景,感谢@阿春阿晓:

根据java虚拟机规范,所有java虚拟机实现必须在每个类或接口被java程序首次主动使用时才初始化。

主动使用有以下6种:
1) 创建类的实例
2) 访问某个类或者接口的静态变量,或者对该静态变量赋值(如果访问静态编译时常量(即编译时可以确定值的常量)不会导致类的初始化)
3) 调用类的静态方法
4) 反射(Class.forName(xxx.xxx.xxx))
5) 初始化一个类的子类(相当于对父类的主动使用),不过直接通过子类引用父类元素,不会引起子类的初始化(参见示例6)
6) Java虚拟机被标明为启动类的类(包含main方法的)

类与接口的初始化不同,如果一个类被初始化,则其父类或父接口也会被初始化,但如果一个接口初始化,则不会引起其父接口的初始化。

示例

1,通过上面的讲解,将可以理解下面的程序(下面的程序部分来自于《Java编程思想》):

class Toy {
        static {
                System.out.println("Initializing");// 静态子句,只在类第一次被加载并初始化时执行一次,而且只执行一次
        }

        Toy() {
                System.out.println("Building");// 构造方法,在每次声明新对象时加载
        }
}

对上面的程序段,第一次调用Class.forName("Toy"),将执行static子句;如果在之后执行new Toy()都只执行构造方法。

2,需要注意newInstance()方法

Class cc = Class.forName("Toy");//获得类(注意,需要使用含包名的全限定名)
Toy toy=(Toy)cc.newInstance(); //相当于new一个对象,但Gum类必须有默认构造方法(无参)

3,用类字面常量 .class和Class.forName都可以创建对类的应用,但是不同点在于,用Gum.class创建Class对象的应用时,不会自动初始化该Class对象(static子句不会执行)

public class TestToy {
        public static void main(String[] args) {
                // try {
                // Class c = Class.forName("myblog.classloader.Toy");
                // } catch (ClassNotFoundException e) {
                // e.printStackTrace();
                // }
                Class c = Toy.class; // 不会输出任何值
        }
}

使用Toy.class是在编译期执行的,因此在编译时必须已经有了Toy的.class文件,不然会编译失败,这与 Class.forName("myblog.classloader.Toy")不同,后者是运行时动态加载。

但是,如果该main方法是直接写在Toy类中,那么调用Toy.class,会引起初始化,并输出Initializing,原因并不是Toy.class引起的,而是该类中含有启动方法main,该方法会导致Toy的初始化。

 4,编译时常量。回到完整的类Toy,如果直接输出:System.out.println(Toy.price),会发现static子句和构造方法都没有被执行,这是因为Toy中,常量price被static final限定,这样的常量叫做编译时常量,对于这种常量,不需要初始化就可以读取。
编译时常量必须满足3个条件:static的,final的,常量。

下面几种都不是编译时常量,对它们的应用,都会引起类的初始化:

static int a;

final  int b;

static final  int c= ClassInitialization.rand.nextInt(100);

static final  int d;
static {
    d=5;
}

5,static块的本质。注意下面的代码:

class StaticBlock {
        static final int c = 3;

        static final int d;

        static int e = 5;
        static {
                d = 5;
                e = 10;
                System.out.println("Initializing");
        }

        StaticBlock() {
                System.out.println("Building");
        }
}

public class StaticBlockTest {
        public static void main(String[] args) {
                System.out.println(StaticBlock.c);
                System.out.println(StaticBlock.d);
                System.out.println(StaticBlock.e);
        }
}

这段代码的输出是什么呢?Initialing在c、d、e之前输出,还是在之后?e输出的是5还是10?

执行一下,结果为:

3
Initializing
5
10

答案是3最先输出,Intializing随后输出,e输出的是10,为什么呢?

原因是这样的:输出c时,由于c是编译时常量,不会引起类初始化,因此直接输出,输出d时,d不是编译时常量,所以会引起初始化操作,即static块的执行,于是d被赋值为5,e被赋值为10,然后输出Initializing,之后输出d为5,e为10。

但e为什么是10呢?原来,JDK会自动为e的初始化创建一个static块(参考:http://www.java3z.com/cwbwebhome/article/article8/81101.html?id=2497),所以上面的代码等价于:

class StaticBlock {
        static final int d;

        static int e;
        
        static {
           e=5; 
        }

        static {
            d = 5;
            e = 10;
            System.out.println("Initializing");
        }

        StaticBlock() {
            System.out.println("Building");
        }
}    

可见,按顺序执行,e先被初始化为5,再被初始化为10,于是输出了10。

类似的,容易想到下面的代码:

class StaticBlock {
        static {
                d = 5;
                e = 10;
                System.out.println("Initializing");
        }

        static final int d;

        static int e = 5;

        StaticBlock() {
                System.out.println("Building");
        }
}

在这段代码中,对e的声明被放到static块后面,于是,e会先被初始化为10,再被初始化为5,所以这段代码中e会输出为5。

6,当访问一个Java类或接口的静态域时,只有真正声明这个域的类或接口才会被初始化(《Java深度历险》)

/**
 * 例子来源于《Java深度历险》第二章
 * @author 张广
 *
 */
class B {
        static int value = 100;
        static {
                System.out.println("Class B is initialized");// 输出
        }
}

class A extends B {
        static {
                System.out.println("Class A is initialized"); // 不输出
        }
}

public class SuperClassTest {
        public static void main(String[] args) {
                System.out.println(A.value);// 输出100
        }
}

在该例子中,虽然通过A来引用了value,但value是在父类B中声明的,所以只会初始化B,而不会引起A的初始化。

说明

笔者在开发过程中发现自己基础太薄弱,读书时除了系统学习了一下Java的基础语法和用法、一点简单的数据结构和设计模式之外,再无深入系统的学习,而工作中的学习也是东晃一枪西晃一枪,不够扎实和系统。想到一个学习方法:学到的东西能够系统的表达出来,才说明你学到手了;于是,笔者决定边学边写,将学到的东西以博客的形式表达出来。

本文档会因学习的深入或错误的订正而持续更新。

《Java系列笔记》是本人对Java的应用和学习过程中的笔记,按知识点分章节,写这一系列笔记的目的是学习,由于笔者是边学编写的,水平有限,文中必定有疏漏之处,欢迎斧正。

文中多有参考前辈的书籍和博客之处,原则上不会原文引用,而是加入自己的理解改造之,如果有引用,必会注明出处,如有疑问,请联系:daniel.zhguang@gmail.com

更新记录

2013年6月25日:发表;

2013年6月26日:加入@阿春阿晓的评论:引起初始化的6种场景;

2013年6月28日:加入链接和初始化的内容,加入示例6

本节参考资料

JAVA编程思想,第14章

Java深度历险

Java中static块的本质:http://www.java3z.com/cwbwebhome/article/article8/81101.html?id=2497

 java类的装载(Loading)、链接(Linking)和初始化(Initialization):http://blog.csdn.net/biaobiaoqi/article/details/6909141

posted @ 2013-06-25 16:41 Daniel·广 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏