深入理解JVM(八)——类加载的时机

类的生命周期

一个类从加载进内存到卸载出内存为止,一共经历7个阶段: 加载——>验证——>准备——>解析——>初始化——>使用——>卸载

其中,类加载包括5个阶段: 加载——>验证——>准备——>解析——>初始化

在类加载的过程中,以下3个过程称为连接: 验证——>准备——>解析

因此,JVM的类加载过程也可以概括为3个过程: 加载——>连接——>初始化

C/C++在运行前需要完成预处理、编译、汇编、链接;而在Java中,类加载(加载、连接、初始化)是在程序运行期间完成的。 在程序运行期间进行类加载会稍微增加程序的开销,但随之会带来更大的好处——提高程序的灵活性。Java语言的灵活性体现在它可以在运行期间动态扩展,所谓动态扩展就是在运行期间动态加载动态连接

类加载的时机

1. 类加载过程中每个步骤的顺序

我们已经知道,类加载的过程包括:加载、连接、初始化,连接又分为:验证、准备、解析,所以说类加载一共分为5步:加载、验证、准备、解析、初始化。

其中加载、验证、准备、初始化的开始顺序是依次进行的,这些步骤开始之后的过程可能会有重叠。 而解析过程会发生在初始化过程中。

2. 类加载过程中“初始化”开始的时机

JVM规范中只定义了类加载过程中初始化过程开始的时机,加载、连接过程都应该在初始化之前开始(解析除外),这些过程具体在何时开始,JVM规范并没有定义,不同的虚拟机可以根据具体的需求自定义。

初始化开始的时机:

  1. 在运行过程中遇到如下字节码指令时,如果类尚未初始化,那就要进行初始化:new、getstatic、putstatic、invokestatic。这四个指令对应的Java代码场景是:
    • 通过new创建对象;
    • 读取、设置一个类的静态成员变量(不包括final修饰的静态变量);
    • 调用一个类的静态成员函数。
  2. 使用java.lang.reflect进行反射调用的时候,如果类没有初始化,那就需要初始化;
  3. 当初始化一个类的时候,若其父类尚未初始化,那就先要让其父类初始化,然后再初始化本类;
  4. 当虚拟机启动时,虚拟机会首先初始化带有main方法的类,即主类;

3. 主动引用 与 被动引用

JVM规范中要求在程序运行过程中,“当且仅当”出现上述4个条件之一的情况才会初始化一个类。如果间接满足上述初始化条件是不会初始化类的。 其中,直接满足上述初始化条件的情况叫做主动引用;间接满足上述初始化过程的情况叫做被动引用。 那么,只有当程序在运行过程中满足主动引用的时候才会初始化一个类,若满足被动引用就不会初始化一个类。

4. 被动引用的场景示例

  • 示例一
public class Fu{
    public static String name = "柴毛毛";
    static{
        System.out.println("父类被初始化!");
    }
}

public class Zi{
    static{
        System.out.println("子类被初始化!");
    }
}

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

输出结果: 父类被初始化! 柴毛毛 原因分析: 本示例看似满足初始化时机的第一条:当要获取某一个类的静态成员变量的时候如果该类尚未初始化,则对该类进行初始化。 但由于这个静态成员变量属于Fu类,Zi类只是间接调用Fu类中的静态成员变量,因此Zi类调用name属性属于间接引用,而Fu类调用name属性属于直接引用,由于JVM只初始化直接引用的类,因此只有Fu类被初始化。

  • 示例二
public class A{
    public static void main(String[] args){
        Fu[] arr = new Fu[10];
    }
}

输出结果: 并没有输出“父类被初始化!” 原因分析: 这个过程看似满足初始化时机的第一条:遇到new创建对象时若类没被初始化,则初始化该类。 但现在通过new要创建的是一个数组对象,而非Fu类对象,因此也属于间接引用,不会初始化Fu类。

  • 示例三
public class Fu{
    public static final String name = "柴毛毛";
    static{
        System.out.println("父类被初始化!");
    }
}

public class A{
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(Fu.name);
    }
}

输出结果: 柴毛毛 原因分析: 本示例看似满足类初始化时机的第一个条件:获取一个类静态成员变量的时候若类尚未初始化则初始化类。 但是,Fu类的静态成员变量被final修饰,它已经是一个常量。被final修饰的常量在Java代码编译的过程中就会被放入它被引用的class文件的常量池中(这里是A的常量池)。所以程序在运行期间如果需要调用这个常量,直接去当前类的常量池中取,而不需要初始化这个类。

5. 接口的初始化

接口和类都需要初始化,接口和类的初始化过程基本一样,不同点在于:类初始化时,如果发现父类尚未被初始化,则先要初始化父类,然后再初始化自己;但接口初始化时,并不要求父接口已经全部初始化,只有程序在运行过程中用到当父接口中的东西时才初始化父接口。

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