从几行代码学习Java类加载机制-从懵逼到放弃

2023年3月16日 265次阅读 来源: Anderson大码渣

我们先看两段代码的运行结果

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(FinalTest.NUM);
        System.out.println(FinalTest1.NUM);
    }
}


class FinalTest{
    public static final int NUM = 3;
    static{
        System.out.println("hello");
    }
}

class FinalTest1{
    public static int NUM = 5;
    static{
        System.out.println("hello1");
    }
}

打印结果:

3
hello1
5

问题1:为什么”hello” 没有被打印出来?

public class Singleton {
    public static Singleton instance = new Singleton();
    public static int a1;
    public static int a2 = 0;

    public Singleton() {
        a1++;
        a2++;
    }

    public static Singleton getSingleton() {
        return instance;
    }
}

public class TestSingleton {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getSingleton();
        System.out.print(singleton.a1);
        System.out.print(singleton.a2);
    }
}

打印结果: 10

问题2:为什么结果不是 11 而是 10? a2为什么是0?

问题1涉及到Java的类加载条件等,问题2涉及到Java类加载步骤,上述两个问题的答案看完下文便知.

什么是Java的类加载

我们都知道,Java类编译完会成为.class文件.
类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入内存中,将其放在运行时数据区域的方法去内,然后在堆中创建java.lang.Class对象,用来封装类在方法区的数据结构.只有java虚拟机才会创建class对象,并且是一一对应关系.这样才能通过反射找到相应的类信息.

谁来加载

Java字节码的加载是由类加载器(ClassLoader)加载的.

至于ClassLoader的双亲委托模式,其实就是一个递归. 其流程如下

当类加载器收到加载类或资源的请求时，通常都是先委托给父类加载器加载，也就是说只有当父类加载器找不到指定类或资源时，自身才会执行实际的类加载过程，具体的加载过程如下：

源 ClassLoader 先判断该 Class 是否已加载，如果已加载，则直接返回 Class，如果没有则委托给父类加载器。

父类加载器判断是否加载过该 Class，如果已加载，则直接返回 Class，如果没有则委托给祖父类加载器。

依此类推，直到始祖类加载器（引用类加载器）。

始祖类加载器判断是否加载过该 Class，如果已加载，则直接返回 Class，如果没有则尝试从其对应的类路径下寻找 class 字节码文件并载入。如果载入成功，则直接返回 Class，如果载入失败，则委托给始祖类加载器的子类加载器。

始祖类加载器的子类加载器尝试从其对应的类路径下寻找 class 字节码文件并载入。如果载入成功，则直接返回 Class，如果载入失败，则委托给始祖类加载器的孙类加载器。
依此类推，直到源 ClassLoader。

源 ClassLoader 尝试从其对应的类路径下寻找 class 字节码文件并载入。如果载入成功，则直接返回 Class，如果载入失败，源 ClassLoader 不会再委托其子类加载器，而是抛出异常。

了解更多,可以看关于ClassLoader那点事

类加载条件 (问题1答案)

那么我们什么时候类需要加载呢?

当我们首次主动使用这个类的时候,类需要被加载.

那什么是“主动使用”呢？

  1. 创建对象的实例：我们new对象的时候，会引发类的初始化，前提是这个类没有被初始化。
  2. 调用类的静态属性或者为静态属性赋值
  3. 调用类的静态方法
  4. 通过class文件反射创建对象
  5. 初始化一个类的子类：使用子类的时候先初始化父类
  6. java虚拟机启动时被标记为启动类的类：就是我们的main方法所在的类
    只有上面6种情况才是主动使用，也只有上面六种情况的发生才会引发类的初始化。

同时我们需要注意下面几个Tips:

  1. 在同一个类加载器下面只能初始化类一次,如果已经初始化了就不必要初始化了.
    这里多说一点，为什么只初始化一次呢？因为我们上面讲到过类加载的最终结果就是在堆中存有唯一一个Class对象，我们通过Class对象找到
    类的相关信息。唯一一个Class对象说明了类只需要初始化一次即可，如果再次初始化就会出现多个Class对象，这样和唯一相违背了。
  2. 在编译的时候能确定下来的静态变量(编译常量),不会对类进行初始化;
  3. 在编译时无法确定下来的静态变量(运行时常量),会对类进行初始化;
  4. 如果这个类没有被加载和连接的话,那就需要进行加载和连接
  5. 如果这个类有父类并且这个父类没有被初始化,则先初始化父类.
  6. 如果类中存在初始化语句,依次执行初始化语句.

这个时候问题1的答案我们可以知道了, 其实FinalTest的静态代码块没被执行的原因是这个类没有被加载,因为我们的NUM是final的,属于编译常量,在编译时就确定下来的静态变量,不会对类进行初始化.

从字节码到内存中的对象步骤

从字节码到内存中的对象, 期间要经过三大步, 为 装载(Loading)、链接(Linking)和初始化(Initialization)

加载(Loading)

按如下三步执行

  1. 通过类的全名产生对应类的二进制数据流。（注意，如果没找到对应类文件，只有在类实际使用时才抛出错误。）
  2. 分析并将这些二进制数据流转换为方法区(JVM 的架构：方法区、堆，栈，本地方法栈，pc 寄存器)特定的数据结构（这些数据结构是实现有关的，不同 JVM 有不同实现）。这里处理了部分检验，比如类文件的魔数的验证，检查文件是否过长或者过短，确定是否有父类（除了 Obecjt 类）。
  3. 创建对应类的 java.lang.Class 实例（注意，有了对应的 Class 实例，并不意味着这个类已经完成了加载链链接！）。

链接(Linking)

类的连接有三步，分别是验证，准备，解析。

验证

验证阶段主要做了以下工作

  • 将已经读入到内存类的二进制数据合并到虚拟机运行时环境中去。
  • 类文件结构检查:格式符合jvm规范-语义检查:符合java语言规范,final类没有子类,final类型方法没有被覆盖
  • 字节码验证:确保字节码可以安全的被java虚拟机执行.
    二进制兼容性检查:确保互相引用的类的一致性.如A类的a方法会调用B类的b方法.那么java虚拟机在验证A类的时候会检查B类的b方法是否存在并检查版本兼容性.因为有可能A类是由jdk1.7编译的，而B类是由1.8编译的。那根据向下兼容的性质，A类引用B类可能会出错，注意是可能。
准备阶段

java虚拟机为类的静态变量分配内存并赋予默认的初始值.如int分配4个字节并赋值为0,long分配8字节并赋值为0;

解析阶段

解析阶段主要是将符号引用转化为直接引用的过程。比如 A类中的a方法引用了B类中的b方法，那么它会找到B类的b方法的内存地址，将符号引用替换为直接引用(内存地址)。

初始化步骤(问题2答案)

一种是类有父类，一种是类没有父类。（当然所有类的顶级父类都是Object）

  • 没有父类的情况：

    类的静态属性

    类的静态代码块

    类的非静态属性

    类的非静态代码块

    构造方法

  • 有父类的情况:

    父类的静态属性

    父类的静态代码块

    子类的静态属性

    子类的静态代码块

    父类的非静态属性

    父类的非静态代码块

    父类构造方法

    子类非静态属性

    子类非静态代码块

    子类构造方法

在这要说明下，静态代码块和静态属性是等价的，他们是按照代码顺序执行的。

那么问题2的答案来了. 我们再回到问题2的代码里面.
第一步,我们是调用了Singleton的静态方法. 这个时候触发了这个类是要被加载了.

首先,读取磁盘上的class文件,各种验证完毕,进行链接,准备阶段给这个类的三个变量都进行初始化.
此时:

instance = null;
 a1 = 0;
 a2 = 0;

之后我们要进行初始化了,这个类么有父类.那么我们进行初始化类的静态属性.
第一步:
instance = new Singleton();

这个时候new Singleton()要走构造方法了.此时a1++ 之后 a1 = 1; a2 = 1;

按照顺序执行,第二步给a1赋值为1
第三部给a2赋值为0

之后我们没有走其他步骤, 随后打印a1与a2的值,也就是10了.

本文作者：Anderson/Jerey_Jobs

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    原文作者：Anderson大码渣
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