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,但清楚的同学相信也不会太多,这篇文章首先介绍 JVM 类初始化的机制,然后给出几个易出错的实例来分析,帮助大家更好理解这个知识点。

Loading, Linking, and Initialization

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:

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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。

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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]

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

在一个类已经被load并且通过verification后,就进入到preparation阶段。在这个阶段,JVM 会为类的成员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。

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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

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。

JVM_Internal_Architecture

Initialization

经过了上面的loadlink后,第一次 主动调用某类的最后一步是Initialization,这个过程会去按照代码书写顺序进行初始化,这个阶段会去真正执行代码,注意包括:代码块(static与static)、构造函数、变量显式赋值。如果一个类有父类,会先去执行父类的initialization阶段,然后在执行自己的。

上面这段话有两个关键词:第一次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)

本文后面会给出一个示例用于说明主动调用被动调用区别。

在这个阶段,执行代码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

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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);
}
}

mInstance在位置1时,打印出

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counter1: 1
counter2: 0

mInstance在位置2时,打印出

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2
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。

主动调用 vs. 被动调用

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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:

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ActiveUsageDemo was initialized.
NewParent was initialized.
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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。

首次主动调用才会初始化

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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,我当时看到这个题,就觉得与阿里无缘了。囧

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 in

    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

更新日志

  • 2014-07-12, 根据校招经验,完成初稿,很多地方没写清楚
  • 2017-01-15,全部重写,增加 Load、Link、Initialization 过程与三个示例