jvm載入class檔案的原理機制分析

阿新 • • 發佈：2019-01-04

案例分析

A、B類中均包含靜態程式碼塊，非靜態程式碼塊以及構造器，A類是B類的父類。

public class A {

  static {
    System.out.print("A中靜態程式碼塊>>>");
  }

  {
    System.out.print("A中非靜態程式碼塊>>>");
  }

  public A() {
    System.out.print("A中構造器>>>");
  }
}

public class B extends A{

    static {
        System.out.print("B中靜態程式碼塊>>>" 
);
    }
    {
      System.out.print("B中非靜態程式碼塊>>>");
    }

    public B() {
        System.out.print("B中構造器>>>");
    }
}

那麼看看下面程式碼的執行結果。

public class ABTest {
  public static void main(String[] args) {
    A ab = new B();
    System.out.println("\n==========================\n" 
);
    ab = new B();
  }
}

執行結果為：

A中靜態程式碼塊>>>B中靜態程式碼塊>>>A中非靜態程式碼塊>>>A中構造器>>>B中非靜態程式碼塊>>>B中構造器>>>
==========================

A中非靜態程式碼塊>>>A中構造器>>>B中非靜態程式碼塊>>>B中構造器>>>

總結：
1. 同一類中：靜態程式碼塊 => 非靜態程式碼塊 => 構造器
2. 父子類中：父類 => 子類；
3. 靜態程式碼塊只在第一次例項化（new）執行了，非靜態程式碼塊在每次例項化都執行。

看執行結果，上面的3條總結都沒問題，對於第3點，需要注意下：靜態程式碼塊其實不是跟著例項走的，而是跟著類走。看如下測試，通過Class.forName()動態載入類：

  public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
    Class.forName("B");
  }

執行結果：

A中靜態程式碼塊>>>B中靜態程式碼塊>>>

這裡並沒有執行例項化過程，但是靜態程式碼塊卻執行了，這也證明了靜態static程式碼塊並不是跟著例項走。下面將簡單介紹下類載入相關概念及過程，介紹完後再看看上面的例子，印象會更深刻。首先得了解下幾個比較重要的JVM的記憶體概念。

jvm的幾個重要記憶體概念

方法區

專門用來存放已經載入的類資訊、常量、靜態變數以及方法程式碼的記憶體區域。

常量池

是方法區的一部分，主要用來存放常量和類中的符號引用等資訊。

堆區

用於存放類的物件例項，如new、陣列物件。

棧區

由一個個棧幀組成的後進先出的結構，主要存放方法執行時產生的區域性變數、方法出口等資訊。

java類的生命週期

我們編寫完一個.java結尾的原始檔後，經過編譯後生成對應的一個或多個.class字尾結尾的檔案。該檔案也稱為位元組碼檔案，能在java虛擬機器中執行。而類的生命週期正是：從類（.class檔案）被載入到虛擬機器記憶體，到從記憶體中解除安裝為止。整個週期一共分為7個階段：

載入，驗證，準備，解析，初始化，使用，解除安裝

其中

驗證，準備，解析統稱為連線；
載入，驗證，準備，初始化，解除安裝，這5個的順序是確定的。

值得注意的是，通常我們所說的類載入指的是：載入，驗證，準備，解析，初始化，這5個階段。

載入

該階段虛擬機器的任務主要是找到需要載入的類，並把類的資訊載入到jvm的方法區中，然後堆中例項化一個java.lang.Class物件，作為方法區中這個類的資訊的入口。

連線

連線階段有三個階段：驗證，準備，解析。主要任務是載入後的驗證工作以及一些初始化前的準備工作。

驗證

當一個類被載入後，需要驗證下該類是否合法，以保證載入的類能在虛擬機器中正常執行。

準備

該階段主要是為類的靜態變數分配記憶體並設定為jvm預設的初始值；對於非靜態變數，則不會為它們分配記憶體。這裡靜態變數的初始值，不是由我們指定的，是jvm預設的。

基本型別（int、long、short、char、byte、boolean、float、double）的預設值為0；
引用型別預設值是null；
常量的預設值為我們設定的值。比如我們定義final static int a = 1000，則在準備階段中a的初始值就是1000。

解析

這一階段的任務是把常量池中的符號引用轉換為直接引用，也就是具體的記憶體地址。在這一階段，jvm會將所有的類、介面名、欄位名、方法名等轉換為具體的記憶體地址。譬如：我們要在記憶體中找到一個類裡面的一個叫call的方法，顯然做不到，但是該階段，由於jvm已經將call這個名字轉換為指向方法區中的一塊記憶體地址了，也就是說我們通過call這個方法名會得到具體的記憶體地址，也就找到了call在記憶體中的位置了。

初始化

有且僅有 5種情況必須立即對類進行“初始化”：

使用new關鍵字例項化物件、讀取或設定一個類的靜態欄位（被final修飾、已經在編譯器把結果放入常量池的靜態欄位除外），以及呼叫一個類的靜態方法的時候；
使用java.lang.reflect包的方法進行反射呼叫時，若類沒有進行初始化，需要先觸發其初始化；
當初始化一個類時，若其父類還沒有進行初始化，則需要先觸發其父類的初始化；
執行main方法，虛擬機器會先初始化其包含的那個主類；
當使用JDK1.7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初始化，則需要先觸發其初始化（這一點不是很懂）。

在類的初始化階段，只會初始化與類相關的靜態賦值語句和靜態語句，也就是有static關鍵字修飾的資訊，而沒有static修飾的賦值語句和執行語句在例項化物件的時候才會執行。（這正好解釋了案例中第3點結論）

使用

初始化階段的5種情況用了很強烈的限定詞：有且僅有，這5種行為稱為對一個類進行“主動引用”。其他所有引用類的方法（行為）都不會對類進行初始化，稱之為“被動引用”。

《學習深入Java虛擬機器》一書中列舉了3個被動引用例子，我驗證了下，確實如此，不過還得到了新的啟發。這裡列出其中的2個例子，如下：

例子1：通過子類引用父類的靜態欄位，不會導致子類初始化

package classloading;

public class SuperClass {
    static {
        System.out.println("SuperClass init!");
    }

    public static int value = 123;
}

package classloading;

public class SubClass extends SuperClass{

    static {
        System.out.println("SubClass init!");
    }
}

package classloading;

public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}

執行結果：

SuperClass init!
123

結論：
通過子類SubClass來引用父類SuperClass的靜態欄位value，初始化的只是父類，並不會觸發子類的初始化。

例子2：常量在編譯階段會存入呼叫類的常量池中，不會觸發定義常量的類的初始化

package classloading;

public class ConstClass {
    static {
        System.out.println("ConstClass init!");
    }

    public static final String HELLO_WORLD = "hello world";
}

package classloading;

public class NotInitialization {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstClass.HELLO_WORLD);
    }
}

執行結果：

hello world

結論：
從列印的結果可以看到，並沒有初始化ConstClass類；但是從原始碼上看是引用了ConstClass類的常量。因為在NotInitialization類的編譯期中，通過常量優化，已經將常量 "hello world"儲存到了NotInitialization類的常量池中了。也就是說，NotInitialization中引用ConstClass.HELLO_WORLD其實是對自身常量池中常量引用。

解除安裝

在使用完類後，需滿足下面，類將被解除安裝：
1. 該類所有的例項都已經被回收，也就是java隊中不存在該類的任何例項；
2. 載入該類的ClassLoader已經被回收了；
3. 該類對應的java.lang.Class物件沒有任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法。

當上面三個條件都滿足後，jvm就會在方法區垃圾回收的時候對類進行解除安裝，類的解除安裝過程本質上就是在方法區中清空類資訊，結束整個類的生命週期。