Java類加載過程

今天突然在群里看到一段代碼,覺得挺有意思,先放出來看看

public class App {

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

}

class Z {
    static int peek() { return j; }
    static int i = peek();
    static int j = 1;
}

那么輸出結果是什么?

其實這主要就是考察到了Java類的加載過程,大部分概念來源于《深入Java虛擬機(第二版)》一書,主要過程如下圖

Java類的加載過程

其中,加載,驗證,準備,初始化和卸載的順序是一定的,類的加載順序必須按照這個順序開始(但不一定是按順序完成,執行過程中可能有交叉),但是解析階段則不一定,他在某些情況下可以在初始化之后再執行(為了支持Java運行時的綁定,即動態綁定)。

什么時候會執行加載? Java虛擬機規范中并沒有進行強制約束,由虛擬機的具體實現來自由把握。但是對于初始化階段,虛擬機規范嚴格規定有且僅有5種情況必須立即對類進行初始化(由于加載,驗證,準備,初始化和卸載的順序是一定的,那么加載,驗證,準備必然也會執行):

  1. 遇到new,getstatic,setstatic,invokestatic這4條字節碼指令時,如果類之前沒有初始化過,則需要先觸發其初始化。生成這4條指令最常見的Java常見是:使用new關鍵字實例化對象,讀取或設置一個靜態字段(被final修飾、已在編譯器把結果放入常量池的靜態字段除外),以及調用一個靜態方法的時候。
  2. 使用java.lang.reflect包的方法對類進行反射調用的時候,如果類沒有進行初始化,則需要先進行初始化。
  3. 當初始化一個類的時候,如果發現其父類還沒有進行初始化,則需要先觸發其父類的初始化
  4. 當虛擬機啟動時,用戶需要指定一個執行的主類(包含 main方法的那個類),虛擬機會先初始化這個主類。
  5. 當使用JDK1.7的動態語言支持時,如果一個java.lang.invoke.MethodHandle實例最后的解析結果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄,并且這個方法句柄所對應的類沒有初始化,則需要先觸發其初始化。

這5種情況也被稱為主動引用,其余其他情況都被稱為被動引用,不會觸發類的初始化。

加載

加載階段,虛擬機主要完成3件事:

  1. 通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進制字節流(并沒有指明要從一個Class文件中獲取,可以從其他渠道,譬如:網絡、動態生成、數據庫等);
  2. 將這個字節流所代表的靜態存儲結構轉化為方法區的運行時數據結構;
  3. 在內存中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象,作為方法區這個類的各種數據的訪問入口;

驗證

驗證,主要目的是為了確保Class文件的字節流包含的數據符合當前虛擬機的要求,不會危害到虛擬機的安全。
主要包括以下幾點驗證:

  1. 文件格式驗證
    主要驗證字節流是否符合Class文件格式的規范
    是否以魔數0xCAFEBABE開頭。
    主、次版本號是否在當前虛擬機的處理范圍之內。
    常量池的常量是否有不被支持的常量類型。
    指向常量的各種索引值是否有指向不存在的常量和不符合類型的常量。
    ......
  2. 元數據驗證
    主要驗證是否符合Java語言規范的要求。
    這個類是否有父類(除了java.lang.Object,所有類都應該有父類)
    這個類是否繼承了不允許被繼承的類(final類)
    是否實現了接口的所有方法。
    方法、字段是否與父類產生矛盾(覆蓋了父類的final方法,重載返回值不同等)。
    ......
  3. 字節碼驗證
  4. 符號引用驗證
    主要是對類自身以外的信息進行匹配性校驗
    符號引用通過字符串描述的全限定名是否能找到對應的類。
    ......

準備

準備階段是正式為類變量分配內存并設置初始值的階段,這些變量所使用的內存都將在方法區內分配。當前這些變量指的是被static修飾的類變量,而不是實例變量,實例變量隨著類實例化的時候分配在Java堆內。
假設定義一個類變量

private static int value = 123;

在準備階段,value的值為0,而不是123。賦值階段在初始化過程中執行。


初始值.png

但是存在特殊情況,如果類字段存在ConstantValue屬性,那在準備階段就會被賦值。

private final static int value = 123;

例如上面的例子,在準備階段就會被賦值為123.

解析

解析階段主要是將常量池中的符號引用替換為直接引用的過程。

初始化

類初始化是類加載的最后一步,是執行類構造器<clinit>()方法的過程。
<clinit>()方法是由編譯器自動收集類中的所有類變量的賦值動作和靜態語句塊(static {})中的語句合并產生的,編譯器收集的順序由代碼的順序決定。
另外,<clinit>()方法會保證在子類執行之前,父類的<clinit>()方法執行完畢。

解題

如果要深入理解,可以去翻閱《深入Java虛擬機(第二版)》一書。

回過頭來看看剛開始提的代碼,Z.i是一種主動引用的操作。它會觸發Z類的初始化,不講述加載、驗證、解析的過程,主要講準備和初始化過程,在準備階段,類變量i, j會被初始化成0,初始化階段,由于<clinit>()方法是根據代碼的順序來收集的,static會被合并,首先執行的 i = peek()方法,此時j還未進行復制,j = 0,所以i = 0, 然后再執行j = 1的賦值。

所以答案也就出來了 , 最后的輸出為0。

那么再留下幾個例子,供你理解整個過程:

public class App {

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

}

class Z {
    static int peek() { return j; }
    static int j = 1;
    static int i = peek();
}
public class App {

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

}

class Z {
    static int peek() { return j; }
    static int i = peek();
    static final int j = 1;
}
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