Java类加载过程
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小胖子编程 发表于8个月前
Java类加载过程
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今天突然在群里看到一段代码,觉得挺有意思,先放出来看看

public class App {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Z.i);
    }

}

class Z {
    static int peek() { return j; }
    static int i = peek();
    static int j = 1;
}

那么输出结果是什么?

其实这主要就是考察到了Java类的加载过程,大部分概念来源于《深入Java虚拟机(第二版)》一书,主要过程如下图

Java类的加载过程

其中,加载,验证,准备,初始化和卸载的顺序是一定的,类的加载顺序必须按照这个顺序开始(但不一定是按顺序完成,执行过程中可能有交叉),但是解析阶段则不一定,他在某些情况下可以在初始化之后再执行(为了支持Java运行时的绑定,即动态绑定)。

什么时候会执行加载? Java虚拟机规范中并没有进行强制约束,由虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段,虚拟机规范严格规定有且仅有5种情况必须立即对类进行初始化(由于加载,验证,准备,初始化和卸载的顺序是一定的,那么加载,验证,准备必然也会执行):

  1. 遇到new,getstatic,setstatic,invokestatic这4条字节码指令时,如果类之前没有初始化过,则需要先触发其初始化。生成这4条指令最常见的Java常见是:使用new关键字实例化对象,读取或设置一个静态字段(被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外),以及调用一个静态方法的时候。
  2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候,如果类没有进行初始化,则需要先进行初始化。
  3. 当初始化一个类的时候,如果发现其父类还没有进行初始化,则需要先触发其父类的初始化
  4. 当虚拟机启动时,用户需要指定一个执行的主类(包含 main方法的那个类),虚拟机会先初始化这个主类。
  5. 当使用JDK1.7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REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄,并且这个方法句柄所对应的类没有初始化,则需要先触发其初始化。

这5种情况也被称为主动引用,其余其他情况都被称为被动引用,不会触发类的初始化。

加载

加载阶段,虚拟机主要完成3件事:

  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(并没有指明要从一个Class文件中获取,可以从其他渠道,譬如:网络、动态生成、数据库等);
  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;

验证

验证,主要目的是为了确保Class文件的字节流包含的数据符合当前虚拟机的要求,不会危害到虚拟机的安全。 主要包括以下几点验证:

  1. 文件格式验证 主要验证字节流是否符合Class文件格式的规范 是否以魔数0xCAFEBABE开头。 主、次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内。 常量池的常量是否有不被支持的常量类型。 指向常量的各种索引值是否有指向不存在的常量和不符合类型的常量。 ......
  2. 元数据验证 主要验证是否符合Java语言规范的要求。 这个类是否有父类(除了java.lang.Object,所有类都应该有父类) 这个类是否继承了不允许被继承的类(final类) 是否实现了接口的所有方法。 方法、字段是否与父类产生矛盾(覆盖了父类的final方法,重载返回值不同等)。 ......
  3. 字节码验证
  4. 符号引用验证 主要是对类自身以外的信息进行匹配性校验 符号引用通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。 ......

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置初始值的阶段,这些变量所使用的内存都将在方法区内分配。当前这些变量指的是被static修饰的类变量,而不是实例变量,实例变量随着类实例化的时候分配在Java堆内。 假设定义一个类变量

private static int value = 123;

在准备阶段,value的值为0,而不是123。赋值阶段在初始化过程中执行。 初始值.png 但是存在特殊情况,如果类字段存在ConstantValue属性,那在准备阶段就会被赋值。

private final static int value = 123;

例如上面的例子,在准备阶段就会被赋值为123.

解析

解析阶段主要是将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。

初始化

类初始化是类加载的最后一步,是执行类构造器<clinit>()方法的过程。 <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 {})中的语句合并产生的,编译器收集的顺序由代码的顺序决定。 另外,<clinit>()方法会保证在子类执行之前,父类的<clinit>()方法执行完毕。

解题

如果要深入理解,可以去翻阅《深入Java虚拟机(第二版)》一书。

回过头来看看刚开始提的代码,Z.i是一种主动引用的操作。它会触发Z类的初始化,不讲述加载、验证、解析的过程,主要讲准备和初始化过程,在准备阶段,类变量i, j会被初始化成0,初始化阶段,由于<clinit>()方法是根据代码的顺序来收集的,static会被合并,首先执行的 i = peek()方法,此时j还未进行复制,j = 0,所以i = 0, 然后再执行j = 1的赋值。

所以答案也就出来了 , 最后的输出为0。

那么再留下几个例子,供你理解整个过程:

public class App {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Z.i);
    }

}

class Z {
    static int peek() { return j; }
    static int j = 1;
    static int i = peek();
}
public class App {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Z.i);
    }

}

class Z {
    static int peek() { return j; }
    static int i = peek();
    static final int j = 1;
}
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