Java虚拟机类加载初始化解析

2022-03-17 22:42:26

  1. Classloader的作用，概括来说就是将编译后的class装载、加载到机器内存中，为了以后的程序的执行提供前提条件。
  2. 一段程序引发的思考：

风中叶老师在他的视频中给了我们一段程序，号称是世界上所有的Java程序员都会犯的错误。

诡异代码如下：

  1. package test01;
  2. class Singleton {
  3. public static Singleton singleton = new Singleton();
  4. public static int a;
  5. public static int b = 0;
  6. private Singleton() {
  7. super();
  8. a++;
  9. b++;
  10. }
  11. public static Singleton GetInstence() {
  12. return singleton;
  13. }
  14. }
  15. public class MyTest {
  16. /**
  17. * @param args
  18. */
  19. public static void main(String[] args) {
  20. Singleton mysingleton = Singleton.GetInstence();
  21. System.out.println(mysingleton.a);
  22. System.out.println(mysingleton.b);
  23. }
  24. }

一般不假思索的结论就是，a=1,b=1。给出的原因是：a、b都是静态变量，在构造函数调用的时候已经对a和b都加1了。答案就都是1。但是运行完后答案却是a=1,b=0。

下面我们将代码稍微变一下

  1. public static Singleton singleton = new Singleton();
  2. public static int a;
  3. public static int b = 0;

的代码部分替换成

  1. public static int a;
  2. public static int b = 0;
  3. public static Singleton singleton = new Singleton();

效果就是刚才预期的a=1,b=1。

为什么呢，这3句无非就是静态变量的声明、初始化，值的变化和声明的顺序还有关系吗？Java不是面向对象的吗？怎么和结构化的语言似地，顺序还有关系。这个就是和Java虚拟机JVM加载类的原理有着直接的关系。

  1. 类在JVM中的工作原理

要想使用一个Java类为自己工作，必须经过以下几个过程

1）：类加载load：从字节码二进制文件——.class文件将类加载到内存，从而达到类的从硬盘上到内存上的一个迁移，所有的程序必须加载到内存才能工作。将内存中的class放到运行时数据区的方法区内，之后在堆区建立一个java.lang.Class对象，用来封装方法区的数据结构。这个时候就体现出了万事万物皆对象了，干什么事情都得有个对象。就是到了最底层究竟是鸡生蛋，还是蛋生鸡呢？类加载的最终产物就是堆中的一个java.lang.Class对象。

2）：连接：连接又分为以下小步骤

验证：出于安全性的考虑，验证内存中的字节码是否符合JVM的规范，类的结构规范、语义检查、字节码操作是否合法、这个是为了防止用户自己建立一个非法的XX.class文件就进行工作了，或者是JVM版本冲突的问题，比如在JDK6下面编译通过的class（其中包含注解特性的类），是不能在JDK1.4的JVM下运行的。

准备：将类的静态变量进行分配内存空间、初始化默认值。（对象还没生成呢，所以这个时候没有实例变量什么事情）

解析：把类的符号引用转为直接引用（保留）

3）：类的初始化：将类的静态变量赋予正确的初始值，这个初始值是开发者自己定义时赋予的初始值，而不是默认值。

  1. 类的主动使用与被动使用

以下是视为主动使用一个类，其他情况均视为被动使用！

1）：初学者最为常用的new一个类的实例对象（声明不叫主动使用）

2）：对类的静态变量进行读取、赋值操作的。

3）：直接调用类的静态方法。

4）：反射调用一个类的方法。

5）：初始化一个类的子类的时候，父类也相当于被程序主动调用了（如果调用子类的静态变量是从父类继承过来并没有复写的，那么也就相当于只用到了父类的东东，和子类无关，所以这个时候子类不需要进行类初始化）。

6）：直接运行一个main函数入口的类。

所有的JVM实现（不同的厂商有不同的实现，有人就说IBM的实现比Sun的要好……）在首次主动调用类和接口的时候才会初始化他们。

  1. 1.       类的加载方式

1）：本地编译好的class中直接加载

2）：网络加载：java.net.URLClassLoader可以加载url指定的类

3）：从jar、zip等等压缩文件加载类，自动解析jar文件找到class文件去加载util类

4）：从java源代码文件动态编译成为class文件

  1. 类加载器

JVM自带的默认加载器

1）：根类加载器：bootstrap，由C++编写，所有Java程序无法获得。

2）：扩展类加载器：由Java编写。

3）：系统类、应用类加载器：由Java编写。

用户自定义的类加载器：java.lang.ClassLoader的子类，用户可以定制类的加载方式。每一个类都包含了加载他的ClassLoader的一个引用——getClass().getClassLoader()。如果返回的是null，证明加载他的ClassLoader是根加载器bootstrap。

如下代码

这里面的指针就是C++的指针

  1. 回顾那个诡异的代码

从入口开始看

Singleton mysingleton = Singleton.GetInstence();

是根据内部类的静态方法要一个Singleton实例。

这个时候就属于主动调用Singleton类了。

之后内存开始加载Singleton类

1）：对Singleton的所有的静态变量分配空间，赋默认的值，所以在这个时候，singleton=null、a=0、b=0。注意b的0是默认值，并不是咱们手工为其赋予的的那个0值。

2）：之后对静态变量赋值，这个时候的赋值就是我们在程序里手工初始化的那个值了。此时singleton = new Singleton();调用了构造方法。构造方法里面a=1、b=1。之后接着顺序往下执行。

3）：

public static int a;

public static int b = 0;

a没有赋值，保持原状a=1。b被赋值了，b原先的1值被覆盖了，b=0。所以结果就是这么来的。类中的静态块static块也是顺序地从上到下执行的。

  1. 编译时常量、非编译时常量的静态变量

如下代码

  1. package test01;
  2. class FinalStatic {
  3. public static final int A = 4 + 4;
  4. static {
  5. System.out.println("如果执行了，证明类初始化了……");
  6. }
  7. }
  8. public class MyTest03 {
  9. /**
  10. * @param args
  11. */
  12. public static void main(String[] args) {
  13. System.out.println(FinalStatic.A);
  14. }
  15. }

结果是只打印出了8，证明类并没有初始化。反编译源码发现class里面的内容是

public static final int A = 8;

也就是说编译器很智能的、在编译的时候自己就能算出4+4是8，是一个固定的数字。没有什么未知的因素在里面。

将代码稍微改一下

public static final int A = 4 + new Random().nextInt(10);

这个时候静态块就执行了，证明类初始化了。在静态final变量在编译时不定的情况下。如果客户程序这个时候访问了该类的静态变量，那就会对类进行初始化，所以尽量静态final变量尽量没什么可变因素在里面1，否则性能会有所下降。

  1. ClassLoader的剖析

ClassLoader的loadClass方法加载一个类不属于主动调用，不会导致类的初始化。如下代码块

  1. ClassLoader classLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
  2. Class<?> clazz = classLoader.loadClass("test01.ClassDemo");

并不会让类加载器初始化test01.ClassDemo，因为这不属于主动调用此类。

ClassLoader的关系：

根加载器——》扩展类加载器——》应用类加载器——》用户自定义类加载器

加载类的过程是首先从根加载器开始加载、根加载器加载不了的，由扩展类加载器加载，再加载不了的有应用加载器加载，应用加载器如果还加载不了就由自定义的加载器（一定继承自java.lang. ClassLoader）加载、如果自定义的加载器还加载不了。而且下面已经没有再特殊的类加载器了，就会抛出ClassNotFoundException，表面上异常是类找不到，实际上是class加载失败，更不能创建该类的Class对象。

若一个类能在某一层类加载器成功加载，那么这一层的加载器称为定义类加载器。那么在这层类生成的Class引用返回下一层加载器叫做初始类加载器。因为加载成功后返回一个Class引用给它的服务对象——也就是调用它的类加载器。考虑到安全，父委托加载机制。

ClassLoader加载类的原代码如下

  1. protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
  2. throws ClassNotFoundException
  3. {
  4. // First, check if the class has already been loaded
  5. Class c = findLoadedClass(name);
  6. if (c == null) {
  7. try {
  8. if (parent != null) {
  9. c = parent.loadClass(name, false);
  10. } else {
  11. c = findBootstrapClassOrNull(name);
  12. }
  13. } catch (ClassNotFoundException e) {
  14. // ClassNotFoundException thrown if class not found
  15. // from the non-null parent class loader
  16. }
  17. if (c == null) {
  18. // If still not found, then invoke findClass in order
  19. // to find the class.
  20. c = findClass(name);
  21. }
  22. }
  23. if (resolve) {
  24. resolveClass(c);
  25. }
  26. return c;
  27. }

初始化系统ClassLoader代码如下

  1. private static synchronized void initSystemClassLoader() {
  2. if (!sclSet) {
  3. if (scl != null)
  4. throw new IllegalStateException("recursive invocation");
  5. sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher();
  6. if (l != null) {
  7. Throwable oops = null;
  8. scl = l.getClassLoader();
  9. try {
  10. PrivilegedExceptionAction a;
  11. a = new SystemClassLoaderAction(scl);
  12. scl = (ClassLoader) AccessController.doPrivileged(a);
  13. } catch (PrivilegedActionException pae) {
  14. oops = pae.getCause();
  15. if (oops instanceof InvocationTargetException) {
  16. oops = oops.getCause();
  17. }
  18. }
  19. if (oops != null) {
  20. if (oops instanceof Error) {
  21. throw (Error) oops;
  22. } else {
  23. // wrap the exception
  24. throw new Error(oops);
  25. }
  26. }
  27. }
  28. sclSet = true;
  29. }
  30. }

它里面调用了很多native的方法，也就是通过JNI调用底层C++的代码。

当一个类被加载、连接、初始化后，它的生命周期就开始了，当代表该类的Class对象不再被引用、即已经不可触及的时候，Class对象的生命周期结束。那么该类的方法区内的数据也会被卸载，从而结束该类的生命周期。一个类的生命周期取决于它Class对象的生命周期。由Java虚拟机自带的默认加载器（根加载器、扩展加载器、系统加载器）所加载的类在JVM生命周期中始终不被卸载。所以这些类的Class对象（我称其为实例的模板对象）始终能被触及！而由用户自定义的类加载器所加载的类会被卸载掉！

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