Java 虛擬機器從入門到精通

阿新 • • 發佈：2018-12-14

一、執行時資料區域

程式計數器

記錄正在執行的虛擬機器位元組碼指令的地址（如果正在執行的是本地方法則為空）。

Java 虛擬機器棧

每個 Java 方法在執行的同時會建立一個棧幀用於儲存區域性變量表、運算元棧、常量池引用等資訊。從方法呼叫直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在 Java 虛擬機器棧中入棧和出棧的過程。

可以通過 -Xss 這個虛擬機器引數來指定每個執行緒的 Java 虛擬機器棧記憶體大小：

java -Xss512M HackTheJava

該區域可能丟擲以下異常：

當執行緒請求的棧深度超過最大值，會丟擲 StackOverflowError 異常；
棧進行動態擴充套件時如果無法申請到足夠記憶體，會丟擲 OutOfMemoryError 異常。

本地方法棧

本地方法棧與 Java 虛擬機器棧類似，它們之間的區別只不過是本地方法棧為本地方法服務。

本地方法一般是用其它語言（C、C++ 或組合語言等）編寫的，並且被編譯為基於本機硬體和作業系統的程式，對待這些方法需要特別處理。

堆

所有物件都在這裡分配記憶體，是垃圾收集的主要區域（“GC 堆”）。

現代的垃圾收集器基本都是採用分代收集演算法，其主要的思想是針對不同型別的物件採取不同的垃圾回收演算法，可以將堆分成兩塊：

新生代（Young Generation）
老年代（Old Generation）

堆不需要連續記憶體，並且可以動態增加其記憶體，增加失敗會丟擲 OutOfMemoryError 異常。

可以通過 -Xms 和 -Xmx 兩個虛擬機器引數來指定一個程式的堆記憶體大小，第一個引數設定初始值，第二個引數設定最大值。

java -Xms1M -Xmx2M HackTheJava

方法區

用於存放已被載入的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器編譯後的程式碼等資料。

和堆一樣不需要連續的記憶體，並且可以動態擴充套件，動態擴充套件失敗一樣會丟擲 OutOfMemoryError 異常。

對這塊區域進行垃圾回收的主要目標是對常量池的回收和對類的解除安裝，但是一般比較難實現。

HotSpot 虛擬機器把它當成永久代來進行垃圾回收。但是很難確定永久代的大小，因為它受到很多因素影響，並且每次 Full GC 之後永久代的大小都會改變，所以經常會丟擲 OutOfMemoryError 異常。為了更容易管理方法區，從 JDK 1.8 開始，移除永久代，並把方法區移至元空間，它位於本地記憶體中，而不是虛擬機器記憶體中。

執行時常量池

執行時常量池是方法區的一部分。

Class 檔案中的常量池（編譯器生成的各種字面量和符號引用）會在類載入後被放入這個區域。

除了在編譯期生成的常量，還允許動態生成，例如 String 類的 intern()。

直接記憶體

在 JDK 1.4 中新加入了 NIO 類，它可以使用 Native 函式庫直接分配堆外記憶體（Native 堆），然後通過一個儲存在 Java 堆裡的 DirectByteBuffer 物件作為這塊記憶體的引用進行操作。

這樣能在一些場景中顯著提高效能，因為避免了在 Java 堆和 Native 堆中來回複製資料。

二、垃圾收集

垃圾收集主要是針對堆和方法區進行。

程式計數器、虛擬機器棧和本地方法棧這三個區域屬於執行緒私有的，只存在於執行緒的生命週期內，執行緒結束之後也會消失，因此不需要對這三個區域進行垃圾回收。

判斷一個物件是否可被回收

1. 引用計數演算法

給物件新增一個引用計數器，當物件增加一個引用時計數器加 1，引用失效時計數器減 1。引用計數為 0 的物件可被回收。

兩個物件出現迴圈引用的情況下，此時引用計數器永遠不為 0，導致無法對它們進行回收。

正因為迴圈引用的存在，因此 Java 虛擬機器不使用引用計數演算法。

public class ReferenceCountingGC {

    public Object instance = null;

    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingGC objectA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objectB = new ReferenceCountingGC();
        objectA.instance = objectB;
        objectB.instance = objectA;
    }
}

2. 可達性分析演算法

通過 GC Roots 作為起始點進行搜尋，能夠到達到的物件都是存活的，不可達的物件可被回收。

Java 虛擬機器使用該演算法來判斷物件是否可被回收，在 Java 中 GC Roots 一般包含以下內容：

虛擬機器棧中區域性變量表中引用的物件
本地方法棧中 JNI 中引用的物件
方法區中類靜態屬性引用的物件
方法區中的常量引用的物件

3. 方法區的回收

因為方法區主要存放永久代物件，而永久代物件的回收率比新生代低很多，因此在方法區上進行回收價效比不高。

主要是對常量池的回收和對類的解除安裝。

在大量使用反射、動態代理、CGLib 等 ByteCode 框架、動態生成 JSP 以及 OSGi 這類頻繁自定義 ClassLoader 的場景都需要虛擬機器具備類解除安裝功能，以保證不會出現記憶體溢位。

類的解除安裝條件很多，需要滿足以下三個條件，並且滿足了也不一定會被解除安裝：

該類所有的例項都已經被回收，也就是堆中不存在該類的任何例項。
載入該類的 ClassLoader 已經被回收。
該類對應的 Class 物件沒有在任何地方被引用，也就無法在任何地方通過反射訪問該類方法。

可以通過 -Xnoclassgc 引數來控制是否對類進行解除安裝。

4. finalize()

finalize() 類似 C++ 的解構函式，用來做關閉外部資源等工作。但是 try-finally 等方式可以做的更好，並且該方法執行代價高昂，不確定性大，無法保證各個物件的呼叫順序，因此最好不要使用。

當一個物件可被回收時，如果需要執行該物件的 finalize() 方法，那麼就有可能在該方法中讓物件重新被引用，從而實現自救。自救只能進行一次，如果回收的物件之前呼叫了 finalize() 方法自救，後面回收時不會呼叫 finalize() 方法。

引用型別

無論是通過引用計算演算法判斷物件的引用數量，還是通過可達性分析演算法判斷物件是否可達，判定物件是否可被回收都與引用有關。

Java 提供了四種強度不同的引用型別。

1. 強引用

被強引用關聯的物件不會被回收。

使用 new 一個新物件的方式來建立強引用。

Object obj = new Object();

2. 軟引用

被軟引用關聯的物件只有在記憶體不夠的情況下才會被回收。

使用 SoftReference 類來建立軟引用。

Object obj = new Object();
SoftReference<Object> sf = new SoftReference<Object>(obj);
obj = null;  // 使物件只被軟引用關聯

3. 弱引用

被弱引用關聯的物件一定會被回收，也就是說它只能存活到下一次垃圾回收發生之前。

使用 WeakReference 類來實現弱引用。

Object obj = new Object();
WeakReference<Object> wf = new WeakReference<Object>(obj);
obj = null;

4. 虛引用

又稱為幽靈引用或者幻影引用。一個物件是否有虛引用的存在，完全不會對其生存時間構成影響，也無法通過虛引用取得一個物件。

為一個物件設定虛引用關聯的唯一目的就是能在這個物件被回收時收到一個系統通知。

使用 PhantomReference 來實現虛引用。

Object obj = new Object();
PhantomReference<Object> pf = new PhantomReference<Object>(obj);
obj = null;

垃圾收集演算法

1. 標記 - 清除

將存活的物件進行標記，然後清理掉未被標記的物件。

不足：

標記和清除過程效率都不高；
會產生大量不連續的記憶體碎片，導致無法給大物件分配記憶體。

2. 標記 - 整理

讓所有存活的物件都向一端移動，然後直接清理掉端邊界以外的記憶體。

3. 複製

將記憶體劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中一塊，當這一塊記憶體用完了就將還存活的物件複製到另一塊上面，然後再把使用過的記憶體空間進行一次清理。

主要不足是隻使用了記憶體的一半。

現在的商業虛擬機器都採用這種收集演算法來回收新生代，但是並不是將新生代劃分為大小相等的兩塊，而是分為一塊較大的 Eden 空間和兩塊較小的 Survivor 空間，每次使用 Eden 空間和其中一塊 Survivor。在回收時，將 Eden 和 Survivor 中還存活著的物件一次性複製到另一塊 Survivor 空間上，最後清理 Eden 和使用過的那一塊 Survivor。

HotSpot 虛擬機器的 Eden 和 Survivor 的大小比例預設為 8:1，保證了記憶體的利用率達到 90%。如果每次回收有多於 10% 的物件存活，那麼一塊 Survivor 空間就不夠用了，此時需要依賴於老年代進行分配擔保，也就是借用老年代的空間儲存放不下的物件。

4. 分代收集

現在的商業虛擬機器採用分代收集演算法，它根據物件存活週期將記憶體劃分為幾塊，不同塊採用適當的收集演算法。

一般將堆分為新生代和老年代。

新生代使用：複製演算法
老年代使用：標記 - 清除或者標記 - 整理演算法

垃圾收集器

以上是 HotSpot 虛擬機器中的 7 個垃圾收集器，連線表示垃圾收集器可以配合使用。

單執行緒與多執行緒：單執行緒指的是垃圾收集器只使用一個執行緒進行收集，而多執行緒使用多個執行緒；
序列與並行：序列指的是垃圾收集器與使用者程式交替執行，這意味著在執行垃圾收集的時候需要停頓使用者程式；並行指的是垃圾收集器和使用者程式同時執行。除了 CMS 和 G1 之外，其它垃圾收集器都是以序列的方式執行。

1. Serial 收集器

Serial 翻譯為序列，也就是說它以序列的方式執行。

它是單執行緒的收集器，只會使用一個執行緒進行垃圾收集工作。

它的優點是簡單高效，對於單個 CPU 環境來說，由於沒有執行緒互動的開銷，因此擁有最高的單執行緒收集效率。

它是 Client 模式下的預設新生代收集器，因為在該應用場景下，分配給虛擬機器管理的記憶體一般來說不會很大。Serial 收集器收集幾十兆甚至一兩百兆的新生代停頓時間可以控制在一百多毫秒以內，只要不是太頻繁，這點停頓是可以接受的。

2. ParNew 收集器

它是 Serial 收集器的多執行緒版本。

是 Server 模式下的虛擬機器首選新生代收集器，除了效能原因外，主要是因為除了 Serial 收集器，只有它能與 CMS 收集器配合工作。

預設開啟的執行緒數量與 CPU 數量相同，可以使用 -XX:ParallelGCThreads 引數來設定執行緒數。

3. Parallel Scavenge 收集器

與 ParNew 一樣是多執行緒收集器。

其它收集器關注點是儘可能縮短垃圾收集時使用者執行緒的停頓時間，而它的目標是達到一個可控制的吞吐量，它被稱為“吞吐量優先”收集器。這裡的吞吐量指 CPU 用於執行使用者程式碼的時間佔總時間的比值。

停頓時間越短就越適合需要與使用者互動的程式，良好的響應速度能提升使用者體驗。而高吞吐量則可以高效率地利用 CPU 時間，儘快完成程式的運算任務，適合在後臺運算而不需要太多互動的任務。

縮短停頓時間是以犧牲吞吐量和新生代空間來換取的：新生代空間變小，垃圾回收變得頻繁，導致吞吐量下降。

可以通過一個開關引數開啟 GC 自適應的調節策略（GC Ergonomics），就不需要手工指定新生代的大小（-Xmn）、Eden 和 Survivor 區的比例、晉升老年代物件年齡等細節引數了。虛擬機器會根據當前系統的執行情況收集效能監控資訊，動態調整這些引數以提供最合適的停頓時間或者最大的吞吐量。

4. Serial Old 收集器

是 Serial 收集器的老年代版本，也是給 Client 模式下的虛擬機器使用。如果用在 Server 模式下，它有兩大用途：

在 JDK 1.5 以及之前版本（Parallel Old 誕生以前）中與 Parallel Scavenge 收集器搭配使用。
作為 CMS 收集器的後備預案，在併發收集發生 Concurrent Mode Failure 時使用。

5. Parallel Old 收集器

是 Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。

在注重吞吐量以及 CPU 資源敏感的場合，都可以優先考慮 Parallel Scavenge 加 Parallel Old 收集器。

6. CMS 收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep），Mark Sweep 指的是標記 - 清除演算法。

分為以下四個流程：

初始標記：僅僅只是標記一下 GC Roots 能直接關聯到的物件，速度很快，需要停頓。
併發標記：進行 GC Roots Tracing 的過程，它在整個回收過程中耗時最長，不需要停頓。
重新標記：為了修正併發標記期間因使用者程式繼續運作而導致標記產生變動的那一部分物件的標記記錄，需要停頓。
併發清除：不需要停頓。

在整個過程中耗時最長的併發標記和併發清除過程中，收集器執行緒都可以與使用者執行緒一起工作，不需要進行停頓。

具有以下缺點：

吞吐量低：低停頓時間是以犧牲吞吐量為代價的，導致 CPU 利用率不夠高。
無法處理浮動垃圾，可能出現 Concurrent Mode Failure。浮動垃圾是指併發清除階段由於使用者執行緒繼續執行而產生的垃圾，這部分垃圾只能到下一次 GC 時才能進行回收。由於浮動垃圾的存在，因此需要預留出一部分記憶體，意味著 CMS 收集不能像其它收集器那樣等待老年代快滿的時候再回收。如果預留的記憶體不夠存放浮動垃圾，就會出現 Concurrent Mode Failure，這時虛擬機器將臨時啟用 Serial Old 來替代 CMS。
標記 - 清除演算法導致的空間碎片，往往出現老年代空間剩餘，但無法找到足夠大連續空間來分配當前物件，不得不提前觸發一次 Full GC。

7. G1 收集器

G1（Garbage-First），它是一款面向服務端應用的垃圾收集器，在多 CPU 和大記憶體的場景下有很好的效能。HotSpot 開發團隊賦予它的使命是未來可以替換掉 CMS 收集器。

堆被分為新生代和老年代，其它收集器進行收集的範圍都是整個新生代或者老年代，而 G1 可以直接對新生代和老年代一起回收。

G1 把堆劃分成多個大小相等的獨立區域（Region），新生代和老年代不再物理隔離。

通過引入 Region 的概念，從而將原來的一整塊記憶體空間劃分成多個的小空間，使得每個小空間可以單獨進行垃圾回收。這種劃分方法帶來了很大的靈活性，使得可預測的停頓時間模型成為可能。通過記錄每個 Region 垃圾回收時間以及回收所獲得的空間（這兩個值是通過過去回收的經驗獲得），並維護一個優先列表，每次根據允許的收集時間，優先回收價值最大的 Region。

每個 Region 都有一個 Remembered Set，用來記錄該 Region 物件的引用物件所在的 Region。通過使用 Remembered Set，在做可達性分析的時候就可以避免全堆掃描。

如果不計算維護 Remembered Set 的操作，G1 收集器的運作大致可劃分為以下幾個步驟：

初始標記
併發標記
最終標記：為了修正在併發標記期間因使用者程式繼續運作而導致標記產生變動的那一部分標記記錄，虛擬機器將這段時間物件變化記錄線上程的 Remembered Set Logs 裡面，最終標記階段需要把 Remembered Set Logs 的資料合併到 Remembered Set 中。這階段需要停頓執行緒，但是可並行執行。
篩選回收：首先對各個 Region 中的回收價值和成本進行排序，根據使用者所期望的 GC 停頓時間來制定回收計劃。此階段其實也可以做到與使用者程式一起併發執行，但是因為只回收一部分 Region，時間是使用者可控制的，而且停頓使用者執行緒將大幅度提高收集效率。

具備如下特點：

空間整合：整體來看是基於“標記 - 整理”演算法實現的收集器，從區域性（兩個 Region 之間）上來看是基於“複製”演算法實現的，這意味著執行期間不會產生記憶體空間碎片。
可預測的停頓：能讓使用者明確指定在一個長度為 M 毫秒的時間片段內，消耗在 GC 上的時間不得超過 N 毫秒。

三、記憶體分配與回收策略

Minor GC 和 Full GC

Minor GC：發生在新生代上，因為新生代物件存活時間很短，因此 Minor GC 會頻繁執行，執行的速度一般也會比較快。
Full GC：發生在老年代上，老年代物件其存活時間長，因此 Full GC 很少執行，執行速度會比 Minor GC 慢很多。

記憶體分配策略

1. 物件優先在 Eden 分配

大多數情況下，物件在新生代 Eden 區分配，當 Eden 區空間不夠時，發起 Minor GC。

2. 大物件直接進入老年代

大物件是指需要連續記憶體空間的物件，最典型的大物件是那種很長的字串以及陣列。

經常出現大物件會提前觸發垃圾收集以獲取足夠的連續空間分配給大物件。

-XX:PretenureSizeThreshold，大於此值的物件直接在老年代分配，避免在 Eden 區和 Survivor 區之間的大量記憶體複製。

3. 長期存活的物件進入老年代

為物件定義年齡計數器，物件在 Eden 出生並經過 Minor GC 依然存活，將移動到 Survivor 中，年齡就增加 1 歲，增加到一定年齡則移動到老年代中。

-XX:MaxTenuringThreshold 用來定義年齡的閾值。

4. 動態物件年齡判定

虛擬機器並不是永遠地要求物件的年齡必須達到 MaxTenuringThreshold 才能晉升老年代，如果在 Survivor 中相同年齡所有物件大小的總和大於 Survivor 空間的一半，則年齡大於或等於該年齡的物件可以直接進入老年代，無需等到 MaxTenuringThreshold 中要求的年齡。

5. 空間分配擔保

在發生 Minor GC 之前，虛擬機器先檢查老年代最大可用的連續空間是否大於新生代所有物件總空間，如果條件成立的話，那麼 Minor GC 可以確認是安全的。

如果不成立的話虛擬機器會檢視 HandlePromotionFailure 設定值是否允許擔保失敗，如果允許那麼就會繼續檢查老年代最大可用的連續空間是否大於歷次晉升到老年代物件的平均大小，如果大於，將嘗試著進行一次 Minor GC；如果小於，或者 HandlePromotionFailure 設定不允許冒險，那麼就要進行一次 Full GC。

Full GC 的觸發條件

對於 Minor GC，其觸發條件非常簡單，當 Eden 空間滿時，就將觸發一次 Minor GC。而 Full GC 則相對複雜，有以下條件：

1. 呼叫 System.gc()

只是建議虛擬機器執行 Full GC，但是虛擬機器不一定真正去執行。不建議使用這種方式，而是讓虛擬機器管理記憶體。

2. 老年代空間不足

老年代空間不足的常見場景為前文所講的大物件直接進入老年代、長期存活的物件進入老年代等。

為了避免以上原因引起的 Full GC，應當儘量不要建立過大的物件以及陣列。除此之外，可以通過 -Xmn 虛擬機器引數調大新生代的大小，讓物件儘量在新生代被回收掉，不進入老年代。還可以通過 -XX:MaxTenuringThreshold 調大物件進入老年代的年齡，讓物件在新生代多存活一段時間。

3. 空間分配擔保失敗

使用複製演算法的 Minor GC 需要老年代的記憶體空間作擔保，如果擔保失敗會執行一次 Full GC。具體內容請參考上面的第五小節。

4. JDK 1.7 及以前的永久代空間不足

在 JDK 1.7 及以前，HotSpot 虛擬機器中的方法區是用永久代實現的，永久代中存放的為一些 Class 的資訊、常量、靜態變數等資料。

當系統中要載入的類、反射的類和呼叫的方法較多時，永久代可能會被佔滿，在未配置為採用 CMS GC 的情況下也會執行 Full GC。如果經過 Full GC 仍然回收不了，那麼虛擬機器會丟擲 java.lang.OutOfMemoryError。

為避免以上原因引起的 Full GC，可採用的方法為增大永久代空間或轉為使用 CMS GC。

5. Concurrent Mode Failure

執行 CMS GC 的過程中同時有物件要放入老年代，而此時老年代空間不足（可能是 GC 過程中浮動垃圾過多導致暫時性的空間不足），便會報 Concurrent Mode Failure 錯誤，並觸發 Full GC。

四、類載入機制

類是在執行期間第一次使用時動態載入的，而不是編譯時期一次性載入。因為如果在編譯時期一次性載入，那麼會佔用很多的記憶體。

類的生命週期

包括以下 7 個階段：

載入（Loading）
驗證（Verification）
準備（Preparation）
解析（Resolution）
初始化（Initialization）
使用（Using）
解除安裝（Unloading）

類載入過程

包含了載入、驗證、準備、解析和初始化這 5 個階段。

1. 載入

載入是類載入的一個階段，注意不要混淆。

載入過程完成以下三件事：

通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進位制位元組流。
將這個位元組流所代表的靜態儲存結構轉化為方法區的執行時儲存結構。
在記憶體中生成一個代表這個類的 Class 物件，作為方法區這個類的各種資料的訪問入口。

其中二進位制位元組流可以從以下方式中獲取：

從 ZIP 包讀取，成為 JAR、EAR、WAR 格式的基礎。
從網路中獲取，最典型的應用是 Applet。
執行時計算生成，例如動態代理技術，在 java.lang.reflect.Proxy 使用 ProxyGenerator.generateProxyClass 的代理類的二進位制位元組流。
由其他檔案生成，例如由 JSP 檔案生成對應的 Class 類。

2. 驗證

確保 Class 檔案的位元組流中包含的資訊符合當前虛擬機器的要求，並且不會危害虛擬機器自身的安全。

3. 準備

類變數是被 static 修飾的變數，準備階段為類變數分配記憶體並設定初始值，使用的是方法區的記憶體。

例項變數不會在這階段分配記憶體，它將會在物件例項化時隨著物件一起分配在堆中。

注意，例項化不是類載入的一個過程，類載入發生在所有例項化操作之前，並且類載入只進行一次，例項化可以進行多次。

初始值一般為 0 值，例如下面的類變數 value 被初始化為 0 而不是 123。

public static int value = 123;

如果類變數是常量，那麼會按照表達式來進行初始化，而不是賦值為 0。

public static final int value = 123;

4. 解析

將常量池的符號引用替換為直接引用的過程。

其中解析過程在某些情況下可以在初始化階段之後再開始，這是為了支援 Java 的動態繫結。

5. 初始化

初始化階段才真正開始執行類中定義的 Java 程式程式碼。初始化階段即虛擬機器執行類構造器 <clinit>() 方法的過程。

在準備階段，類變數已經賦過一次系統要求的初始值，而在初始化階段，根據程式設計師通過程式制定的主觀計劃去初始化類變數和其它資源。

<clinit>() 方法具有以下特點：

是由編譯器自動收集類中所有類變數的賦值動作和靜態語句塊中的語句合併產生的，編譯器收集的順序由語句在原始檔中出現的順序決定。特別注意的是，靜態語句塊只能訪問到定義在它之前的類變數，定義在它之後的類變數只能賦值，不能訪問。例如以下程式碼：

public class Test {
    static {
        i = 0;                // 給變數賦值可以正常編譯通過
        System.out.print(i);  // 這句編譯器會提示“非法向前引用”
    }
    static int i = 1;
}

與類的建構函式（或者說例項構造器 <init>()）不同，不需要顯式的呼叫父類的構造器。虛擬機器會自動保證在子類的 <clinit>() 方法執行之前，父類的 <clinit>() 方法已經執行結束。因此虛擬機器中第一個執行 <clinit>() 方法的類肯定為 java.lang.Object。
由於父類的 <clinit>() 方法先執行，也就意味著父類中定義的靜態語句塊的執行要優先於子類。例如以下程式碼：

static class Parent {
    public static int A = 1;
    static {
        A = 2;
    }
}

static class Sub extends Parent {
    public static int B = A;
}

public static void main(String[] args) {
     System.out.println(Sub.B);  // 2
}

<clinit>() 方法對於類或介面不是必須的，如果一個類中不包含靜態語句塊，也沒有對類變數的賦值操作，編譯器可以不為該類生成 <clinit>() 方法。
介面中不可以使用靜態語句塊，但仍然有類變數初始化的賦值操作，因此介面與類一樣都會生成 <clinit>() 方法。但介面與類不同的是，執行介面的 <clinit>() 方法不需要先執行父介面的 <clinit>() 方法。只有當父介面中定義的變數使用時，父接口才會初始化。另外，介面的實現類在初始化時也一樣不會執行介面的 <clinit>() 方法。
虛擬機器會保證一個類的 <clinit>() 方法在多執行緒環境下被正確的加鎖和同步，如果多個執行緒同時初始化一個類，只會有一個執行緒執行這個類的 <clinit>() 方法，其它執行緒都會阻塞等待，直到活動執行緒執行 <clinit>() 方法完畢。如果在一個類的 <clinit>() 方法中有耗時的操作，就可能造成多個執行緒阻塞，在實際過程中此種阻塞很隱蔽。

類初始化時機

1. 主動引用

虛擬機器規範中並沒有強制約束何時進行載入，但是規範嚴格規定了有且只有下列五種情況必須對類進行初始化（載入、驗證、準備都會隨之發生）：

遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 這四條位元組碼指令時，如果類沒有進行過初始化，則必須先觸發其初始化。最常見的生成這 4 條指令的場景是：使用 new 關鍵字例項化物件的時候；讀取或設定一個類的靜態欄位（被 final 修飾、已在編譯期把結果放入常量池的靜態欄位除外）的時候；以及呼叫一個類的靜態方法的時候。
使用 java.lang.reflect 包的方法對類進行反射呼叫的時候，如果類沒有進行初始化，則需要先觸發其初始化。
當初始化一個類的時候，如果發現其父類還沒有進行過初始化，則需要先觸發其父類的初始化。
當虛擬機器啟動時，使用者需要指定一個要執行的主類（包含 main() 方法的那個類），虛擬機器會先初始化這個主類；
當使用 JDK 1.7 的動態語言支援時，如果一個 java.lang.invoke.MethodHandle 例項最後的解析結果為 REF_getStatic, REF_putStatic, REF_invokeStatic 的方法控制代碼，並且這個方法控制代碼所對應的類沒有進行過初始化，則需要先觸發其初始化；

2. 被動引用

以上 5 種場景中的行為稱為對一個類進行主動引用。除此之外，所有引用類的方式都不會觸發初始化，稱為被動引用。被動引用的常見例子包括：

通過子類引用父類的靜態欄位，不會導致子類初始化。

System.out.println(SubClass.value);  // value 欄位在 SuperClass 中定義

通過陣列定義來引用類，不會觸發此類的初始化。該過程會對陣列類進行初始化，陣列類是一個由虛擬機器自動生成的、直接繼承自 Object 的子類，其中包含了陣列的屬性和方法。

SuperClass[] sca = new SuperClass[10];

常量在編譯階段會存入呼叫類的常量池中，本質上並沒有直接引用到定義常量的類，因此不會觸發定義常量的類的初始化。

System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);

類與類載入器

兩個類相等需要類本身相等，並且使用同一個類載入器進行載入。這是因為每一個類載入器都擁有一個獨立的類名稱空間。

這裡的相等，包括類的 Class 物件的 equals() 方法、isAssignableFrom() 方法、isInstance() 方法的返回結果為 true，也包括使用 instanceof 關鍵字做物件所屬關係判定結果為 true。

類載入器分類

從 Java 虛擬機器的角度來講，只存在以下兩種不同的類載入器：

啟動類載入器（Bootstrap ClassLoader），這個類載入器用 C++ 實現，是虛擬機器自身的一部分；
所有其他類的載入器，這些類由 Java 實現，獨立於虛擬機器外部，並且全都繼承自抽象類 java.lang.ClassLoader。

從 Java 開發人員的角度看，類載入器可以劃分得更細緻一些：

啟動類載入器（Bootstrap ClassLoader）此類載入器負責將存放在 <JRE_HOME>\lib 目錄中的，或者被 -Xbootclasspath 引數所指定的路徑中的，並且是虛擬機器識別的（僅按照檔名識別，如 rt.jar，名字不符合的類庫即使放在 lib 目錄中也不會被載入）類庫載入到虛擬機器記憶體中。啟動類載入器無法被 Java 程式直接引用，使用者在編寫自定義類載入器時，如果需要把載入請求委派給啟動類載入器，直接使用 null 代替即可。
擴充套件類載入器（Extension ClassLoader）這個類載入器是由 ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）實現的。它負責將 <JAVA_HOME>/lib/ext 或者被 java.ext.dir 系統變數所指定路徑中的所有類庫載入到記憶體中，開發者可以直接使用擴充套件類載入器。
應用程式類載入器（Application ClassLoader）這個類載入器是由 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）實現的。由於這個類載入器是 ClassLoader 中的 getSystemClassLoader() 方法的返回值，因此一般稱為系統類載入器。它負責載入使用者類路徑（ClassPath）上所指定的類庫，開發者可以直接使用這個類載入器，如果應用程式中沒有自定義過自己的類載入器，一般情況下這個就是程式中預設的類載入器。

雙親委派模型

應用程式都是由三種類載入器相互配合進行載入的，如果有必要，還可以加入自己定義的類載入器。

下圖展示的類載入器之間的層次關係，稱為類載入器的雙親委派模型（Parents Delegation Model）。該模型要求除了頂層的啟動類載入器外，其餘的類載入器都應有自己的父類載入器。這裡類載入器之間的父子關係一般通過組合（Composition）關係來實現，而不是通過繼承（Inheritance）的關係實現。

1. 工作過程

一個類載入器首先將類載入請求傳送到父類載入器，只有當父類載入器無法完成類載入請求時才嘗試載入。

2. 好處

使得 Java 類隨著它的類載入器一起具有一種帶有優先順序的層次關係，從而使得基礎類得到統一。

例如 java.lang.Object 存放在 rt.jar 中，如果編寫另外一個 java.lang.Object 的類並放到 ClassPath 中，程式可以編譯通過。由於雙親委派模型的存在，所以在 rt.jar 中的 Object 比在 ClassPath 中的 Object 優先順序更高，這是因為 rt.jar 中的 Object 使用的是啟動類載入器，而 ClassPath 中的 Object 使用的是應用程式類載入器。rt.jar 中的 Object 優先順序更高，那麼程式中所有的 Object 都是這個 Object。

3. 實現

以下是抽象類 java.lang.ClassLoader 的程式碼片段，其中的 loadClass() 方法執行過程如下：先檢查類是否已經載入過，如果沒有則讓父類載入器去載入。當父類載入器載入失敗時丟擲 ClassNotFoundException，此時嘗試自己去載入。

public abstract class ClassLoader {
    // The parent class loader for delegation
    private final ClassLoader parent;

    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
    }

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    c = findClass(name);
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
}

自定義類載入器實現

FileSystemClassLoader 是自定義類載入器，繼承自 java.lang.ClassLoader，用於載入檔案系統上的類。它首先根據類的全名在檔案系統上查詢類的位元組程式碼檔案（.class 檔案），然後讀取該檔案內容，最後通過 defineClass() 方法來把這些位元組程式碼轉換成 java.lang.Class 類的例項。

java.lang.ClassLoader 的 loadClass() 實現了雙親委派模型的邏輯，因此自定義類載入器一般不去重寫它，但是需要重寫 findClass() 方法。

public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader {

    private String rootDir;

    public FileSystemClassLoader(String rootDir) {
        this.rootDir = rootDir;
    }

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = getClassData(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }

    private byte[] getClassData(String className) {
        String path = classNameToPath(className);
        try {
            InputStream ins = new FileInputStream(path);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int bufferSize = 4096;
            byte[] buffer = new byte[bufferSize];
            int bytesNumRead;
            while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, bytesNumRead);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    private String classNameToPath(String className) {
        return rootDir + File.separatorChar
                + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
    }
}