JVM 的类初始化机制

当你在 Java 程序中 new 对象时,有没有考虑过 JVM 是如何把静态的字节码(byte code)转化为运行时对象的呢,这个问题看似简单,但里面的细节很多,而且由于开发者在平时与之打交道较少,很少有同学会去主动探索这块知识,但这个知识点却是面试时常考的地方,而且熟练掌握类加载是实现代码热部署的关键。

本文将结合几个具体案例,来阐述 JVM 类初始化这个问题,希望引起大家对这个知识点的注意。

什么是类的加载

通俗来讲,类的加载就是指将 .class 文件中的字节码读入内存,将其放在运行时数据区的方法区(method code)内,最终在堆区(heap)中创建一个 java.lang.Class 对象。

JVM 内部结构

JVM 内部结构

 

Class 对象封装了类在方法区内的数据结构,并且向提供了访问方法区内的数据结构的接口。

 

何时进行类加载

一般来说,只有在第一次 主动调用 某个类时才会去进行类加载。如果一个类有父类,会先去加载其父类,然后再加载其自身。

上面这段话有两个关键词:第一次 与 主动调用第一次 是说只在第一次时才会有初始化过程,以后就不需要了,可以理解为每个类 有且仅有一次 初始化的机会。那么什么是 主动调用 呢?
JVM 规定了以下六种情况为 主动调用,其余的皆为 被动调用

  1. 一个类的实例被创建(new操作、反射、cloning,反序列化)
  2. 调用类的static方法
  3. 使用或对类/接口的static属性进行赋值时(这不包括final的与在编译期确定的常量表达式)
  4. 当调用 API 中的某些反射方法时
  5. 子类被初始化
  6. 被设定为 JVM 启动时的启动类(具有main方法的类)

关于主动加载与被动加载的区别,可以参考下面这个例子:

class NewParent {

    static int hoursOfSleep = (int) (Math.random() * 3.0);

    static {
        System.out.println("NewParent was initialized.");
    }
}

class NewbornBaby extends NewParent {

    static int hoursOfCrying = 6 + (int) (Math.random() * 2.0);

    static {
        System.out.println("NewbornBaby was initialized.");
    }
}

public class ActiveUsageDemo {

    // Invoking main() is an active use of ActiveUsageDemo
    public static void main(String[] args) {

        // Using hoursOfSleep is an active use of NewParent,
        // but a passive use of NewbornBaby
        System.out.println(NewbornBaby.hoursOfSleep);
    }

    static {
        System.out.println("ActiveUsageDemo was initialized.");
    }
}

上面的程序最终输出:

ActiveUsageDemo was initialized.
NewParent was initialized.
1

之所以没有输出 NewbornBaby was initialized .是因为没有主动去调用 NewbornBaby ,如果把打印的内容改为 NewbornBaby.hoursOfCrying  那么这时就是主动调用 NewbornBaby 了,相应的语句也会打印出来。

 

类加载的生命周期

JVM 将字节码转化为运行时对象分为三个阶段,分别是:loading 、Linking、initialization。

The beginning of a class's lifetime

 

下面分别介绍这三个过程:

Loading

Loading 过程主要工作是由ClassLoader完成。该过程具体包括三件事:

  1. 根据类的全名,生成一份二进制字节码来表示该类
  2. 将二进制的字节码解析成方法区对应的数据结构
  3. 最后生成一 Class 对象的实例来表示该类

ClassLoader 继承关系,不同 CL 负责加载不同类

JVM 中除了最顶层的 Boostrap ClassLoader 是用 C/C++ 实现外,其余类加载器均由 Java 实现,我们可以用 getClassLoader 方法来获取当前类的类加载器:

public class ClassLoaderDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassLoaderDemo.class.getClassLoader());
    }
}

# sun.misc.Launcher$AppClassLoader@30a4effe
# AppClassLoader 也就是上图中的 System Class Loader

此外,我们在启动 java 传入 -verbose:class 来查看加载的类有那些。

java -verbose:class ClassLoaderDemo

[Opened /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.lang.Object from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.io.Serializable from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.lang.Comparable from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.lang.CharSequence from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]

....
....

[Loaded java.security.BasicPermissionCollection from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded ClassLoaderDemo from file:/Users/liujiacai/codes/IdeaProjects/mysql-test/target/classes/]
[Loaded sun.launcher.LauncherHelper$FXHelper from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.lang.Class$MethodArray from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.lang.Void from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@2a139a55
[Loaded java.lang.Shutdown from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.lang.Shutdown$Lock from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]

ClassLoader 还具有一重要特性:双亲委派模型。具体来说就是:

如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把请求委托给父加载器去完成,依次向上,因此,所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中,只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时,即无法完成该加载,子加载器才会尝试自己去加载该类。

 

Linking

Verification

 Verification  主要是保证类符合 Java 语法规范,确保不会影响 JVM 的运行。包括但不限于以下事项:

  • bytecode 的完整性(integrity)
  • 检查 final 类没有被继承, final 方法没有被覆盖
  • 确保没有不兼容的方法签名

Preparation

在这个阶段,JVM 会为 类成员变量(不包括实例变量)分配内存空间并且赋予默认初始值,需要注意的是这个阶段不会执行任何代码,而只是根据变量类型决定初始值。如果不进行默认初始化,分配的空间的值是随机的,有点类型c语言中的野指针问题。

Type    Initial Value
int    0
long    0L
short    (short) 0
char    '\u0000'
byte    (byte) 0
boolean    false
reference    null
float    0.0f
double    0.0d

另一个需要注意的是实例
在这个阶段,JVM 也可能会为有助于提高程序性能的数据结构分配内存,常见的一个称为method table的数据结构,它包含了指向所有类方法(也包括也从父类继承的方法)的指针,这样再调用父类方法时就不用再去搜索了。

Resolution

 Resolution  阶段主要工作是确认类、接口、属性和方法在类 run-time constant pool 的位置,并且把这些符号引用(symbolic references)替换为直接引用(direct references)。

locating classes, interfaces, fields, and methods referenced symbolically from a type’s constant pool, and replacing those symbolic references with direct references.

这个过程不是必须的,也可以发生在第一次使用某个符号引用时。

Initialization

经过了上面的 load 、 link 后,就到了  Initialization 。这个阶段会去真正执行代码,具体包括:代码块(static与static)、构造函数、变量显式赋值。

这些代码执行的顺序遵循以下两个原则:

  1. 有static先初始化static,然后是非static的
  2. 显式初始化,构造块初始化,最后调用构造函数进行初始化

 

示例

属性在不同时期的赋值

class Singleton {

    private static Singleton mInstance = new Singleton();// 位置1
    public static int counter1;
    public static int counter2 = 0;

//    private static Singleton mInstance = new Singleton();// 位置2

    private Singleton() {
        counter1++;
        counter2++;
    }

    public static Singleton getInstantce() {
        return mInstance;
    }
}

public class InitDemo {

    public static void main(String[] args) {

        Singleton singleton = Singleton.getInstantce();
        System.out.println("counter1: " + singleton.counter1);
        System.out.println("counter2: " + singleton.counter2);
    }
}

当 mInstance 在位置1时,打印出

counter1: 1
counter2: 0

当 mInstance 在位置2时,打印出

counter1: 1
counter2: 1

 Singleton 中的三个属性在 Preparation 阶段会根据类型赋予默认值,在 Initialization 阶段会根据显示赋值的表达式再次进行赋值(按顺序自上而下执行)。根据这两点,就不难理解上面的结果了。

 

首次主动调用才会初始化

public class Alibaba {

    public static int k = 0;
    public static Alibaba t1 = new Alibaba("t1");
    public static Alibaba t2 = new Alibaba("t2");
    public static int i = print("i");
    public static int n = 99;
    private int a = 0;
    public int j = print("j");
    {
        print("构造块");
    }
    static {
        print("静态块");
    }

    public Alibaba(String str) {
        System.out.println((++k) + ":" + str + "   i=" + i + "    n=" + n);
        ++i;
        ++n;
    }

    public static int print(String str) {
        System.out.println((++k) + ":" + str + "   i=" + i + "    n=" + n);
        ++n;
        return ++i;
    }

    public static void main(String args[]) {
        Alibaba t = new Alibaba("init");
    }
}

上面这个例子是阿里巴巴在14年的校招附加题

1:j   i=0    n=0
2:构造块   i=1    n=1
3:t1   i=2    n=2
4:j   i=3    n=3
5:构造块   i=4    n=4
6:t2   i=5    n=5
7:i   i=6    n=6
8:静态块   i=7    n=99
9:j   i=8    n=100
10:构造块   i=9    n=101
11:init   i=10    n=102

上面是程序的输出结果,下面我来一行行分析之。

  1. 由于 Alibaba 是 JVM 的启动类,属于主动调用,所以会依此进行 loading、linking、initialization 三个过程。
  2. 经过 loading与 linking 阶段后,所有的属性都有了默认值,然后进入最后的 initialization 阶段。
  3. 在 initialization 阶段,先对 static 属性赋值,然后在非 static 的。k 第一个显式赋值为 0 。
  4. 接下来是 t1 属性,由于这时 Alibaba 这个类已经处于 initialization 阶段,static 变量无需再次初始化了,所以忽略 static 属性的赋值,只对非 static 的属性进行赋值,所有有了开始的:

1:j   i=0    n=0
2:构造块   i=1    n=1
3:t1   i=2    n=2

   5. 接着对 t2 进行赋值,过程与 t1 相同

4:j   i=3    n=3
5:构造块   i=4    n=4
6:t2   i=5    n=5

  6. 之后到了 static 的 i 与 n

7:i   i=6    n=6

  7. 到现在为止,所有的static的成员变量已经赋值完成,接下来就到了 static 代码块

8:静态块   i=7    n=99

  8. 至此,所有的 static 部分赋值完毕,接下来是非 static 的 j

9:j   i=8    n=100

  9. 所有属性都赋值完毕,最后是构造块与构造函数

10:构造块   i=9    n=101
11:init   i=10    n=102

经过上面这9步, Alibaba 这个类的初始化过程就算完成了。这里面比较容易出错的是第3步,认为会再次初始化 static 变量或代码块。而实际上是没必要,否则会出现多次初始化的情况。

希望大家能多思考思考这个例子的结果,加深 JVM 初始化类过程的理解。

 

总结

经过最后这三个例子,相信大家对 JVM 的类加载机制都有了更深的理解,如果大家还是有疑问,欢迎留言讨论。

 

参考

 

转载自:JVM 的类初始化机制

 

posted on 2019-05-15 06:45 wpjamer 阅读(...) 评论(...)  编辑 收藏

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