JVM实战：类加载流程

介绍

在 Java 中，一个 .class 文件要被 JVM 运行，必须先经过类加载（Class Loading）的过程。这个过程可以粗略地分为三个大阶段：加载、链接、初始化。如果细分的话，通常会分为 5 个具体的步骤

加载

当我们要使用一个类的时候，要通过ClassLoader将类加载到内存中

类加载阶段主要完成如下三件事情

1. 通过全类名，获取类的二进制流
2. 解析类的二进制流为方法区内的数据结构
3. 在堆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访问入口

通过全类名，获取类的二进制流的方式有很多种

1. 从zip压缩包中获取
2. 从网络中获取
3. 运行时计算生成，如动态代理技术
4. ...

链接

链接这个阶段主要分为3个部分，验证，准备，解析

验证

目的：确保被加载的类的正确性和安全性

做些什么：检查文件格式是否符合 JVM 规范（比如开头是不是魔数 CAFEBABE）、元数据验证、字节码验证、符号引用验证等。防止有人恶意修改字节码去破坏 JVM

验证阶段的规则很多，但大致分为如下4个阶段

准备

目的：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值 注意：这里只为 static 修饰的变量分配内存（它们在方法区中），不包括实例变量（实例变量在对象实例化时随对象一起分配在堆中）

常见的数据类型的默认值如下

数据类型	默认值
byte	(byte)0
short	(short)0
int	0
long	0L
float	0.0f
double	0.0d
boolean	false
char	'\u0000'
reference	null

特例：如果类静态变量的字段属性表中存在ConstantValue属性，则直接执行赋值语句

那么什么情况下类静态变量的字段属性表中存在ConstantValue属性呢？

1. 类静态变量为基本数据类型，并且被final修饰
2. 类静态变量为String类型，被final修饰，并且以字面量的形式赋值

为了方便查看Class文件的字节码，我在IDEA中下载了一个插件jclasslib Bytecode viewer，非常方便。用如下代码通过字节码的形式验证一下

public class Person {

    private static int age = 10;
    private static final int length = 160;
    private static final String name = "name";
    private static final String loc = new String("loc");
}

所以length和name属性在准备阶段就会赋值为ConstantValue指定的值

那么age和loc属性会在哪个阶段赋值呢？是在初始化阶段，后面会详细介绍哈

解析

将类，接口，字段和方法的符号引用（在常量池中）转为直接引用

符号引用：用一组符号来描述所引用的目标

直接引用；直接指向指向目标的指针

通俗解释：在 .class 文件里，一个类引用另一个类是用一串字符串（符号）表示的。解析阶段就是把这些字符串符号，变成真正指向内存地址的指针或句柄（直接引用）

假如我写了一个如下的类

public class Student {

    private String name;
    private int age;

    public String getName() {
        return this.name;
    }
}

以字段为例，name和age对应的对象并不是直接指向内存地址，而是用字符串来进行描述（即符号引用）。解析阶段就是将这些描述转为直接指向目标的指针（即直接引用）

初始化

目的：执行类静态成员变量赋值语句和静态代码块中的语句

我们把上面的Student代码改成如下形式

public class Student {

    private String name;
    private int age = 10;
    private static int gender = 1;

    {
        System.out.println("构造代码块");
    }

    static {
        System.out.println("静态代码块");
    }

    public Student() {
        System.out.println("构造函数");
    }

    public String getName() {
        return this.name;
    }
}

可以看到字节码中包含了3个方法，getName方法我们知道，<init>和<clinit>方法里面执行了哪些逻辑？

从字节码可以看到<clinit>方法的主要逻辑为

<clinit>方法

1. 执行静态变量的赋值语句
2. 执行静态代码块中的语句
3. 需要注意的一点是，Java虚拟机会保证子类的<client>方法执行前，父类的<client>方法已经执行完毕

使用

<init>方法

从字节码可以看到<init>方法的主要逻辑为

1. 调用父类的<init>方法
2. 非静态成员变量赋值
3. 执行构造代码块
4. 执行构造函数

理解<clinit>和<init>方法的作用还是很有必要的，因为经常有些面试题问静态代码块，构造代码块，构造函数的执行顺序。

我这里就直接总结一下结论，大家可以写demo验证一下

没有继承情况的执行顺序

1. 静态代码块和静态成员变量，执行顺序由编写顺序决定（只会执行一次哈）
2. 构造代码块和非静态成员变量，执行顺序由编写顺序决定
3. 构造函数

有继承情况的执行顺序

1. 父类的静态（静态代码块，静态成员变量），子类的静态（静态代码块，静态成员变量）（只会执行一次哈）
2. 父类的非静态（构造代码块，非静态成员变量），父类的构造函数
3. 子类的非静态（构造代码块，非静态成员变量），子类的构造函数

卸载

垃圾收集不仅发生在堆中，方法区上也会发生。但是对方法区的类型数据回收的条件比较苛刻 以下图为例，想回收方法区中的Simple类

1. 需要保证堆中的Sample类及其子类都已经被回收
2. 加载Sample类的MyClassLoader已经被回收
3. Sample类对应的Class对象已经被回收

可以看到对方法区的类型数据回收的条件比较苛刻，但是收效甚微，所以有些垃圾收集器不会对方法区的类型数据进行回收

总结

类加载过程

变量的赋值过程

附录

构造函数，静态代码块，构造代码块的执行顺序

class Test {

   // 静态代码块1
   static {
       System.out.println("我是静态代码块1");
   }

   // 构造代码块1：
   {
       System.out.println("我是构造代码块1");
   }

   // 构造函数1
   public Test() {
       System.out.println("我是无参构造函数");
   }

   // 构造函数2
   public Test(int t) {
       System.out.println("我是带参构造函数，" + "参数是" + t);
   }

   // 静态代码块2
   static {
       System.out.println("我是静态代码块2");
   }

   // 构造代码块2：
   {
       System.out.println("我是构造代码块2");
   }
}

来new一个Test类看看会输出什么？

public class FowShow {

    public static void main(String[] args) {

        // 创建第一个对象：
        // 我是静态代码块
        // 我是静态代码块2
        // 我是构造代码块1
        // 我是构造代码块2
        // 我是无参构造函数
        System.out.println("创建第一个对象：");
        Test test1 = new Test();
        
        // 创建第二个对象：
        // 我是构造代码块1
        // 我是构造代码块2
        // 我是带参构造函数，参数是5
        System.out.println("创建第二个对象：");
        Test test2 = new Test(5);
    }
}

从输出我们可以总结出如下结论

执行时间：静态代码块>构造代码块>构造函数

静态代码块只会在类被载入内存时加载一次，构造代码块和构造函数都是在对象创建的时候执行，有几个对象就会执行几次，所以一般将加载配置文件的过程写在静态代码块中

没有继承的加载顺序

先定义一个类作为成员变量，方便看打印输出

public class Parameter {
   public Parameter(String str) {
       System.out.println(str);
   }
}

写一个测试类

public class Test1 {

   public static Parameter parameter1 = new Parameter("静态成员变量");
   public Parameter parameter2 = new Parameter("非静态成员变量");

   public Test1() {
       System.out.println("构造函数");
   }

   static {
       System.out.println("静态代码块");
   }

   {
       System.out.println("构造代码块a");
   }

   {
       System.out.println("构造代码块b");
   }
}

输出如下

public class ForShow {

   public static void main(String[] args) {
       /*
         静态成员变量
         静态代码块
         非静态成员变量
         构造代码块a
         构造代码块b
         构造函数
       */
       new Test1();
       /*
         非静态成员变量 
         构造代码块a
         构造代码块b
         构造函数
       */
       new Test1();
   }
}

可以看到静态成员变量和静态代码块一样，只会在类被载入内存时加载一次

改变一下Test类中定义的顺序，看看有什么变化。

public class Test2 {

   static {
       System.out.println("静态代码块");
   }

   public Test2() {
       System.out.println("构造函数");
   }

   {
       System.out.println("构造代码块b");
   }

   {
       System.out.println("构造代码块a");
   }

   public static Parameter parameter1 = new Parameter("静态成员变量");

   public Parameter parameter2 = new Parameter("非静态成员变量");
   
   }
}

输出如下

public class ForShow {
   public static void main(String[] args) {
       /*
         静态代码块
         静态成员变量
         构造代码块b
         构造代码块a
         非静态成员变量
         构造函数
       */
       new Test2();
   }
}

没有继承情况的加载顺序

1. 静态代码块和静态成员变量，加载顺序由编写顺序决定
2. 构造代码块和非静态成员变量，加载顺序由编写顺序决定
3. 构造函数

有继承情况的加载顺序

public class Father {

   public static Parameter parameter1 = new Parameter("父类静态成员变量");

   public Parameter parameter2 = new Parameter("父类非静态成员变量");

   public Father() {
       System.out.println("父类的构造函数");
   }
}

子类

public class Son extends Father{

   public static Parameter parameter1 = new Parameter("子类静态成员变量");

   public Parameter parameter2 = new Parameter("子类非静态成员变量");

   public Son() {
       System.out.println("子类的构造函数");
   }
}

测试类

public class ForShow {

   public static void main(String[] args) {
       /*
         父类静态成员变量
         子类静态成员变量
         父类非静态成员变量
         父类的构造函数
         子类非静态成员变量
         子类的构造函数
       */
       new Son();
   }
}

有继承情况的加载顺序

1. 父类的静态（静态代码块，静态成员变量），子类的静态（静态代码块，静态成员变量）
2. 父类的非静态（构造代码块，非静态成员变量），父类的构造函数
3. 子类的非静态（构造代码块，非静态成员变量），子类的构造函数

常见面试题

Java类定义如下，写出main函数执行后输出的结果

public class A {
    static {
        System.out.println("static A");
    }
    public A() {
        System.out.println("class A");
    }
}

public class B extends A{
    public B() {
        System.out.println("class B");
    }
    public static void main(String[] args) {
        B instance = new B();
    }
}

上面的知识点如果理解的很清楚的话，这个立马就能写出来。所以输出如下

static A
class A
class B

2.问题如果main函数中的代码如下呢？就是B这个类new2次

public static void main(String[] args) {
    B instance = new B();
    B instance1 = new B();
}

万变不离其宗，输入如下

static A
class A
class B
class A
class B

因为静态成员变量和静态代码块只会在类被载入内存时加载一次