虚拟机类加载过程

Java从诞生时就以平台无关性作为卖点，Java程序步不直接运行在操作系统上的，而是在操作系统上又提供了一层虚拟机。虚拟机为Java程序员提供了一套规范，这套规范与操作系统无关，与操作系统相关的工作就交由Java虚拟机来完成。Sun公司当初在发布Java规范的时候，刻意拆分成《Java语言规范》和《Java虚拟机规范》，以实现让其他语言运行在Java虚拟机上。如今，有一大批运行在Java虚拟机上的语言，如Scala、Jython、Groovy等，Java虚拟机已经开始具有了语言无关性的特点。实现无关性的原因是Java虚拟机在运行程序的时候，只与Class文件打交道。至于这个Class文件的由来，虚拟机并不关心，Class文件可以是javac编译出来的Class文件，或者是groovy编译器编译出来的Class文件，也可以是从网络上获得的。虚拟机在运行程序的时候，首先需要把Class文件加载虚拟机中，这就涉及到虚拟机类加载机制。虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是Java虚拟机的类加载机制。

知道Java虚拟机的类加载机制对与Java程序员还是很有帮助的，尤其是类加载的准备阶段和初始化阶段，是Java程序员必须了解的，这也是本文的重点。

Java语言里面，类型的加载是在运行期动态进行的，只有在使用到该类的时候才会加载。那么，虚拟机会在哪些条件下去加载一个类呢？

类加载的时机

上图表示了一个类在虚拟机的生命周期，其中加载，验证，准备，解析，和初始化就是类的加载过程。虚拟机并没有规定何时将一个类加载到内存里面，但是规定了何时进行类加载的初始化阶段。当”首次主动使用“一个类时，必须对其进行初始化，虚拟机规范严格规定了有且只有5中情况下属于对类的主动使用：

（1）遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这4条字节码指令时，如果没有对类进行初始化，则需要先出发其初始化。new最常见的Java代码场景：创建一个类的实例；getstatic：调用类的静态变量；putstatic：设置类的静态变量；invokestatic：调用类的静态方法；

（2）对类反射调用是，如果没有进行过初始化，则需要先触发其初始化；

（3）当初始化一个类时，发现其父类尚未初始化时，先触发父类的初始花；

（4）虚拟机启动时被表明为启动类的类（包含main()方法的类）；

（5）使用Java7中的动态语言支持时。

除了以上5种情况外，其他的都属于对类的被动使用，不会触发类的初始化。注意，我们这里所说的是类的初始化，不是对象的初始化，不要跟在堆中创建对象的初始化混淆。

类初始化的特例

关于类初始化的场景上看上去很清晰，其实还是会有些不是那么清晰的情况，有些事由于对主动使用的理解不够深入，有些则属于不能理解的场景，通过举几个例子来说明。

静态常量

import java.util.Random;
class FinalTest1 {
	/* 如果x的值是一个常量，也就是说在编译的时候就能确定
	 * 那么在调用这个静态常量时，不会触发该类的初始化
	 */
	public static final int x = 6;
	
	static 
	{
		System.out.println("静态常量不会触发类的初始化");
	}
}

class FinalTest2 {
	/* 如果x的值需要在运行时才能确定，
	 * 在调用这个静态变量时，就会对这个类进行初始化
	 */
	public static final int x = new Random().nextInt(100);
	
	static 
	{
		System.out.println("需要在运行时才能确定值，会触发类的初始化");
	}
}

public class FinalStatic {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(FinalTest1.x);//不会初始化FinalTest1
		System.out.println(FinalTest2.x);//会初始化FinalTest2
	}

}

被final修饰的静态常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，在使用静态常量时，本质上并没有直接引用定义常量的类，所以不会触发类的初始化；如果需要在运行时才能确定其值，则会触发类的初始化。

子类使用父类的静态变量

class Parent {
	public static int a = 3;
	static {
		System.out.println("Parent static block");
	}
}

class Child extends Parent {
	static {
		System.out.println("Child static block");
	}
}

public class ClassExtends {
	static {
		System.out.println("ClassExtends static block");
	}
	/*ClassExtends是启动类，虚拟机会首先触发它的初始化

         *Child类使用的是父类的静态变量，getinstatic只会触发定义该静态字段的类

         */
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(Child.a);
		
	}
}

上面一段程序的输出是：ClassExtends static block

Parent static block

3

反射中的.class语法

package com.ssy.classloader;
public class InitClass {
	static {
		System.out.println("Initclass");
	}
	
	public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
		/*.class语法不会触发类的初始化，至于为什么，似乎不可理解 */
		Class<?> clazz = AClass.class;
		System.out.println("--------------");
		clazz = Class.forName("com.ssy.classloader.AClass");
	}
}

class AClass {
	static {
		System.out.println(".class不会触发类的初始化");
	}
}

创建数组

package com.understanding.classloader;

public class NotInitClass2 {
	
	public static void main(String[] args) {
		OneClass[] array = new OneClass[10];
	}
}

class OneClass {
	static {
		System.out.println("static block");
	}
}

运行上面的程序之后会发现，没有输出”static block“语句，说明没有初始化OneClass类。看一下生成的字节码指令：

创建数组的动作由字节码指令newarray触发，它并没有创建10个OneClass对象，而是创建了一个代表数组元素类型为”com.understanding.classloader.OneClass“的一维数组类，也就是”Lcom/understanding/classloader/OneClass“类，这个类由虚拟机生成，继承自Object类。Java数组中的属性和方法（程序员可见的只有length和clone())都封装在这个类中。

注意，在初始化接口时稍有不同：当一个类初始化时，其父类必然已经初始化；但是当初始化一个接口时，并不要求其父接口已经初始化。

上面讲了那么多的初始化，似乎没有提到类加载的加载阶段。因为何时加载一个类，虚拟机规范没有明确说明，由各实现自己确定，但是初始化一个类则是明确了的，在初始化类之前，必然已经加载了该类。

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加载

”加载“是类加载的一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要做3件事：

（1）通过类的全额限定名来获取定义此类的二进制字节流；

（2）将字节流所代表的静态存储结构转化为方法去的运行时数据结构；

（3）在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

每一个Java类都有一个对应的Class对象，它就像一个“镜子”一样反射出类的所有内容，这也是反射的基础，这个Class对象就是在加载阶段生成的。Java虚拟机没有规定是再Java堆中实例化Class对象，但是对于HotSpot而言，Class对象虽然也是对象，但是它存放在方法区（在Java8中，已经去掉了方法区，所以针对的都是Java7及之前版本，后面提到的方法区，也是如此）。

验证

验证阶段对虚拟机而言非常重要，验证的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机要求，不会危害虚拟机自身的安全。前面，我们已经提到了，虚拟机并不区分这个Class文件的来源，通过javac编译的Class文件一般是不会危害虚拟机安全的，但是Class文件的来源是多种多样的，甚至可以用十六制编辑器直接编辑Class文件。虚拟机会进行4个阶段的校验：

（1）文件格式验证：通过这个阶段的验证后，字节流才会进入内存中；

（2）元数据验证；

（3）字节码验证；

（4）符号引用验证。

验证阶段对虚拟机是重要的，但是如果能确保Class文件是安全和正确的，那么就可以关闭虚拟机的大部分校验，以此缩短类加载时间。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量的初始值，类变量使用的内存在方法去中分配。这里有两点需要强调：

（1）是类变量（被static修饰的变量），而不是为实例变量，实例变量是在创建类的对象时随对象一起分配在Java堆中；

（2）是设置初始值，而不是程序规定的值。

一个类中定义的类变量：

private static int value = 25;

在准备阶段，value = 0;准备阶段给变量设置的零值（也就是各类型的默认值）。在Java中，类的域（包括实例域和静态域）在使用之前，至少会拥有一个值，其中静态域就是通过类加载的准备阶段设置初始值来完成的；实例域是通过在分配对象时，首先将那块内存清零来完成的。

这里还有一个特殊情况，如果类变量是常量，那么在准备阶段，虚拟机就会把该变量设置为常量值：

private static final int value = 25;

在准备阶段，value的值就已经是25了。

解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号饮用替换为直接引用的过程。解析阶段的内容还是比较丰富的，具体的可以参考《Java虚拟机规范》第三版。

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初始化

初始化阶段就是为类变量赋予程序显式设定的值，而不再是准备阶段赋予的默认初始值。一般而言，给类变量赋值有两种方式：

//在定义处赋值
static int value = 25;

//或者在静态语句块中
int value;
static {
    value = 25;
}

所有的类变量赋值动作和静态语句块中的语句都被Java编译器收集到一起，放到一个特殊的方法中—类构造器<clinit>方法（接口也有这个方法），编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的处顺所决定的。<clinit>方法对程序猿是不可见的，只能被虚拟机调用。换句话说，初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。初始化一个类包括两个步骤：

（1）如果类存在直接父类，且直接父类还没有初始化，先初始化直接父类；

（2）如果类存在类构造器<clinit>()方法，就执行该方法。

从上面两步来看，我们可以得出<clinit>()方法的特点：

（1）父类总是在子类之前被初始化，这意味着<clinit>()方法不需要显式的调用父类的类构造器，虚拟机会保证子类的<clinit>()方法在执行前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕。java.lang.Object是所有类的父类，因此虚拟机中第一个被初始化的<clinit>()方法肯定是Object类的。

（2）如果存在类<clinit>()方法，就执行。也就是说，<clinit>()方法对于类和接口而言并不是必须的的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，编译器就可以不为这个类生成<clinit>()方法。如果一个类定义了类变量，但是没有在定义处或者静态语句块中显式的赋值，编译器也可以不为这个类生成<clinit>()方法。

下面是我在JDK1.7下的测试，第一张图中只定义了静态变量，没有给它显式赋值，javac编译器果然没有给这个类生成<clinit>()方法：

class Clinit {
    static int a;
}

使用javap -verbose Clinit.class发现，编译器没有生成<clinit>()方法：

class Clinit {
    static int a = 1；
}

显式的给类变量a赋初始值，编译器必须要生成<clinit>()方法：

（3）如果类中仅仅定义了静态常量，形如：

static final int value = 123;

我们知道，常量是在编译阶段存入类的常量池中，value字段也没有被当做类变量，任何使用value字段的类都不会引用定义该常量的类，而是会保存value常量值123的本地拷贝。这也就是我们前面讲的，使用类的静态常量不属于对类的主动使用，不会触发类的初始化。如果仅包含静态常量，那么编译器可以不为该类生成<clinit>(0方法。通过一小段代码来说明上面的内容，Java代码如下：

public class Clinit {
	 static  final int value = 123;
	 static final double rand = Math.random();
}

通过使用javap -c Clinit.class得到如下内容：

static {};
Code:
   0: invokestatic #2 //Method java/lang/Math/random:()D
   3: putstatic #3 //Field rand:D
   6: return

其中只有对double类型rand的赋值，并没有对int类型的常量value赋值。

（4）关于接口

a.我们在前面说过，初始化一个接口时并不要求必须初始化其父接口。因此，执行接口的<clinit>()方法也不需要先执行父接口的<clinit>()方法。
b.接口中不能使用静态语句块，且接口中的域都自动是public static final的，如果只包含静态常量，则可以不生成<clinit>()方法。如果域的值不是常量，也就是无法在编译期计算，则必须生成<clinit>()方法。

c.接口中的域并不是接口的一部分，它们的值被存储在该接口的静态存储区域。这句话的意思是说，初始化实现该接口的类时，不要求对接口中的域初始化，也就是说不会执行接口的<clinit>()方法。它们在首次被访问时被初始化。

/**
 * 如果类中只定义了静态变量，但是没有在定义处或者静态语句块中对其显式赋值，编译器可以不生成<clinit>()方法
 * 如果类中值定义了静态常量，编译器可以不生成<clinit>()方法
 */
public class Clinit implements SubInit{
	
	 static  final int value = 123;
	 static final double rand = Math.random();
	
	 public void f() {
		 System.out.println("实现的f()方法");
	 }
	 
	 public static void main(String[] args) {
		 /*初始化接口的实现类时不会执行接口的<clinit>()方法*/
		 System.out.println(rand);
		 new Clinit().f();
		 System.out.println("---------------");
		 /*只有在首次访问域时，才会执行接口的<clinit>()方法*/
		 Print p = SubInit.sub;
		 Print p2 = SubInit.sub;
	 }
}

/**
 * 接口中的域都是static final的，而且必须要显式的赋值，不能使用默认值
 * 如果接口中的域是静态常量，编译器可以不生成<clinit>()方法
 * 接口中不能有static {}
 */
interface SubInit extends BaseInit {	
	/*sub必须在运行时才能创建，所以该接口要生成<clinit>()方法*/
	Print sub = new Print("在SubInit接口中创建的对象");
	void f();
}

/*执行接口的<clinit>()方法，不需要求先执行父接口的<clinit>()方法*/
interface BaseInit {
	Print base = new Print("在BaseInit接口中创建的对象");
}

/*测试类，只打印一句话*/
 class Print {
	public Print(String message) {
		System.out.println(message);
	}
}

程序的输出：

0.3710394328568716
实现的f()方法
---------------
在SubInit接口中创建的对象

通过前两行的输出可以看出，初始化接口的实现类时不会初始化该接口；最后一行输出说明，只有在首次用到时才会对接口进行初始化，也就是对域进行初始化，当然了，也只会初始化一次。输出中并没有来自父接口BaseInit的内容，说明没有执行BaseInit的<clinit>()方法。

（5）虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确的加锁同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，那么就可能造成多个线程阻塞，这种阻塞往往又很隐蔽，造成调试的困难。周志明老师举的一个例子很好，可以拿出来欣赏一下：

public class ClinitDeadLoop {
	/**
	 * 当有多个线程去初始化一个类，只有一个线程会执行类的<clinit>()方法，其他方法需要阻塞等待
	 */
	public static void main(String[] args) {
		Runnable script = new Runnable() {
			public void run() {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "start");
				//对类DeadLoopClass进行初始化，最终会陷入死循环
				DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "run over");
			}
		};
		
		Thread thread1 = new Thread(script,"线程1");
		Thread thread2 = new Thread(script,"线程2");
        thread1.start();
        thread2.start();

	}
	
	/*执行该类的<clinit>()方法的代价是无穷大*/
	static class DeadLoopClass {
		static {
			//如果不加这个if语句，编译器将提示：Initializer does not complete normally,并拒绝编译
			if(true) {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 在执行<clinit>()方法时无限循环");
				while(true) {	
				}
			}
		}
	}
}

程序的执行结果：

线程1start
线程2start
线程1 在执行<clinit>()方法时无限循环

我们可以看到，线程1在执行类DeadLoopClass的<clinit>()方法时陷入死循环，线程1永远也没有办法执行完该方法。所有使用DeadLoopClass的线程都必须阻塞等待，在实际应用中必须避免这种情况的发生。

<clinit>()方法是在编译期的语义分析与字节码生成阶段被编译器生成的的。生成<clinit>()方法实际上是一个代码收敛的过程，编译器会把静态语句块（static {}）、类变量初始化等操作收敛到<clinit>()方法中，虚拟机会保证父类的<clinit>()方法先执行（对类而言）。

以上的内容着重讲了类加载的初始化阶段，其他阶段太过于抽象和理论化，但是还是必须要理解虚拟机的类加载机制，帮助更好的理解Java中何时执行静态语句块，何时对静态变量赋值等问题。

参考资料：《深入Java虚拟机》第二版，《深入理解Java虚拟机》，《Java虚拟机规范》第三版。转载请注明处处：http://blog.csdn.net/yuhongye111/article/details/30799131