虚拟机类加载机制(二)——类加载的时机

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类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,它的整个生命周期包括:加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)七个阶段。其中验证、准备、解析这三个阶段统称为连接(Linking)。七个阶段的发生顺序如下图:

七个阶段中,加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的,类的加载过程必须按照这种顺序按部就班的开始(只是开始,并不是上一个执行完,下一个才开始执行),而解析则不一定。在某些情况下,解析可以在初始化之后再开始,这是为了支持java语言的运行时绑定(也称为动态绑定)。

什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段:加载?java虚拟机规范中并没有进行强制约束,这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段,虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”(而加载、验证、准备自然需要在此之前开始):

(1)遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时,如果类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的java代码场景是:使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段(被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外)的时候,以及调用一个类的静态方法的时候。

(2)使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候,如果类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。

(3)当初始化一个类的时候,如果发现其父类还没有进行过初始化,则需要先触发其父类的初始化。

(4)当虚拟机启动的时候,用户需要指定一个要执行的主类(包含main方法的那个类),虚拟机会先初始化这个类。

(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_outStatic、REF_invokeStatic的方法的句柄,并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。

对于以上5中会触发类初始化的场景,虚拟机规范中使用了一个很强烈的限定语:“有且只有”,这5种场景中的行为成为对一个类进行主动引用,除此之外,所有引用类的方式都不会触发初始化,称为被动引用。

被动引用示例如下:

示例一:通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化。至于是否会触发子类的加载和验证,在虚拟机规范中并没有明确规定,这点取决于虚拟机的实现。在HotSpot虚拟机中,可通过-XX:+TraceClassLoading参数观察到此操作会导致子类的加载。

package ClassLoaderTest;

public class SuperClass {

    static{
        System.out.println("SuperClass init !");
    }
    
    static int value = 123;
    
}


package ClassLoaderTest;

public class SubClass extends SuperClass{

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


package ClassLoaderTest;

public class Test {

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

以上程序输出结果为"SuperClass init ! 123",而不会输出"SubClass init !"。

示例二:通过数组定义来引用类,并不会触发类的初始化。

package ClassLoaderTest;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        SuperClass[] array = new SuperClass[10];
    }
    
}

以上程序不会输出"SuperClass init !",说明类并没有被初始化。但是这段代码会触发另外一个名为“[LClassLoaderTest.SuperClass”(‘[’和‘L’是虚拟机中类文件中的描述符标识符,‘[’表示数组,数组是几个维度的,就有几个‘[’,‘L’表示对象类型,可以理解为java中的Object)的类的初始化阶段,对于用户代码来说,这并不是一个合法的类名称,它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承于java.lang.Object的子类,创建动作由字节码指令newarray触发。这个类代表了一个元素类型为ClassLoaderTest.SuperClass的一维数组,数组中应有的属性和方法都实现在这个类里。java语言中对数组的访问比C/C++相对安全是因为这个类封装了数组元素的访问方法,而C/C++直接翻译为对数组指针的移动。在java语言中,当检查到发生数组越界时会抛出java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException异常。

示例三:常量在编译阶段会存入调用类的常量池中,本质上并没有直接引用到定义常量的类,因此不会触发定义常量的类的初始化。

package ClassLoaderTest;

public class ConstClass {

    static{
        System.out.println("ConstClass init !");
    }
    
    public static final String HELLO_WORLD = "hello world";
    
}


package ClassLoaderTest;

public class Test {

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

以上程序只会输出"hello world",并不会输出"ConstClass init !"。这是因为程序在编译的时候,ConstClass类中的HELLO_WORLD常量的值已经存储到了Test类的常量池中,以后Test类对常量ConstClass.HELLO_WORLD的引用实际都被转化为对自身常量池的引用。也就是说,Test的class文件中并没有ConstClass类的符号引用入口,这两个类在编译成class之后就不存在任何联系了。

接口的加载过程和类加载过程稍微有些不同:接口也有初始化过程,这点与类是一致的,不同之处在于,接口中是不能使用static静态代码块的,而且编译器仍然会为接口生成“<clinit>()”类构造器,用于初始化接口中定义的成员变量。接口与类的真正区别在于上述的5种“有且仅有”需要开始初始化场景中的第三种:当一个类在初始化时,要求其父类全部都已经初始化过,但是一个接口在初始化时,并不要求其父接口全部都完成了初始化,只有在真正使用到父接口(如引用接口中的常量)的时候才会初始化。

注意:上述内容中的类加载和加载并不是一个概念,类加载包括加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。加载只是类加载中的一个阶段。

参考文章:《深入理解java虚拟机》周志明著

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