Java类初始化的时机详解

1. 概述

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Useing）、卸载（Unloading）7个阶段。其中验证、准备和解析3个部分统称为连接（Linking），这7个阶段的发生顺序如图所示。

类的生命周期

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程
必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定） 。

对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有5种情况必须立即对类进行“初始化”（ 而加载、 验证、 准备自然需要在此之前开始）：

1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
4. 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（ 包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
5. 当使用JDK 1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄， 并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化， 则需要先触发其初始化。

这五种情况称为对一个类进行主动引用。其余情况都不会触发初始化，称为被动引用。

2 主动引用

首先准备两个类用户测试其是否初始化。

SuperClass

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;

/**
 * @author lastwhisper
 */
public class SuperClass {
    public static int value = 123;

    static {
        System.out.println("SuperClass static code init!");
    }

    public SuperClass() {
        System.out.println("SuperClass constructor init! ");
    }

    public static int getValue() {
        return value;
    }

    public static void setValue(int value) {
        SuperClass.value = value;
    }
}

SubClass 继承自SuperClass

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;

/**
 * @author lastwhisper
 */
public class SubClass extends SuperClass {

    public static int subvalue = 456;

    static {
        System.out.println("SubClass static code init!");
    }

    public SubClass() {
        System.out.println("SubClass constructor init! ");
    }

    public static int getSubvalue() {
        return subvalue;
    }

    public static void setSubvalue(int subvalue) {
        SubClass.subvalue = subvalue;
    }
}

2.1 情景一

遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;

/**
 * 主动引用触发初始化、演示一
 * @author lastwhisper
 */
public class Initialization1 {
    // 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，
    // 如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
    public static void main(String[] args) {
        // 1.new字节码指令
        //SubClass subClass = new SubClass();

        // 2.getstatic字节码指令
        // 被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外
        //int subvalue = SubClass.subvalue;

        // 3.setstatic字节码指令
        // 被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外
        //SubClass.subvalue = 789;

        // 4.invokestatic字节码指令
        //SubClass.getSubvalue();
    }
}

2.2 情景二

使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;

import java.lang.reflect.Constructor;

/**
 * 主动引用触发初始化、演示二
 * @author lastwhisper
 */
public class Initialization2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，
        // 如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

        try {
            // 使用Class.forName();也行，不要使用对象.class。
            Class clazz = SubClass.class;
            Constructor constructor = clazz.getConstructor();
            constructor.newInstance();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2.3 情景三

当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;

/**
 * 主动引用触发初始化、演示三
 * @author lastwhisper
 */
public class Initialization3 {
    // 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，
    // 则需要先触发其父类的初始化
    public static void main(String[] args) {
        // 在Initialization1的new指令和Initialization2的反射创建对象都有体现
        SubClass subClass = new SubClass();
        //初始化顺序
        //SuperClass static code init!  首先初始化父类静态代码块
        //SubClass static code init!    其次初始化自己的静态代码块
        //SuperClass constructor init!  其次初始化父类的构造器
        //SubClass constructor init!    其次初始化自己的构造器
    }
}

2.4 情景四

当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（ 包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;

/**
 * 主动引用触发初始化、演示四
 * @author lastwhisper
 */
public class Initialization4 {

    static {
        System.out.println("Initialization4 static code init!");
    }

    public Initialization4() {
        System.out.println("Initialization4 constructor init!");
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的那个类)，虚拟机会先初始化这个主类。
    }
}

2.5 情景五

当使用JDK 1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄， 并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化， 则需要先触发其初始化。

首先创建一个MethodHandleClass类

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;

/**
 * @author lastwhisper
 */
public class MethodHandleClass {

    static {
        System.out.println("MethodHandleClass static code init!");
    }
    public MethodHandleClass() {
        System.out.println("MethodHandleClass constructor init!");
    }

    // REF_invokeStatic
    public static void testREF_invokeStatic(String str) {
        System.out.println(str);
    }

}

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative;

import java.lang.invoke.MethodHandle;
import java.lang.invoke.MethodHandles;
import java.lang.invoke.MethodType;

/**
 * 主动引用触发初始化、演示五
 * @author lastwhisper
 */
public class Initialization5 {

    public static void main(String[] args) {

        MethodHandles.Lookup lookup = MethodHandles.lookup();
        try {
            // REF_invokeStatic
            MethodHandle testREF_invokeStatic = lookup.findStatic(MethodHandleClass.class, "testREF_invokeStatic", MethodType.methodType(void.class, String.class));
            testREF_invokeStatic.invoke("啥也不干，打印一段话");

            // REF_getStatic

            // REF_putStatic
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (Throwable throwable) {
            throwable.printStackTrace();
        }
    }
}

3. 被动引用

被动引用不会触发类的初始化

3.1 情景一

子类引用父类的静态字段，只会触发子类的加载、父类的初始化，不会导致子类初始化

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.passive;

import cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative.SubClass;

/**
 * 被动使用类字段不触发初始化、演示一
 * @author lastwhisper
 */
public class NotInitialization1 {
    // 子类引用父类的静态字段，只会触发子类的加载、父类的初始化，不会导致子类初始化
    // 是否要触发子类的加载和验证，在虚拟机规范中并未明确规定，这点取决于虚拟机的具体实现
    // 对于Sun HotSpot虚拟机，可通过-XX:+TraceClassLoading参数观察到此操作会导致子类的加载
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
        //[Loaded cn.lastwhisper.jvm.classloading.passive.SubClass from ...]
    }
}

打印结果：子类并未初始化

SuperClass static code init!
123

3.2 情景二

通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.passive;

import cn.lastwhisper.jvm.classloading.initiative.SuperClass;

/**
 * 被动使用类字段不触发初始化、演示二
 * -XX:+TraceClassLoading
 * @author lastwhisper
 */
public class NotInitialization2 {
    public static void main(String[] args){
        // 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化
        // 会触发L+全类名的初始化
        SuperClass[] superClasses = new SuperClass[10];
    }
}

3.3 情景三

常量在编译阶段会进行常量优化，将常量存入调用类的常量池中，
本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。

创建一个被static final修饰的类。

/**
 * @author lastwhisper
 */
public class ConstClass {
    public static final String HELLOWORLD = "hello world";

    static {
        System.out.println("ConstClass init!");
    }
}

package cn.lastwhisper.jvm.classloading.passive;

/**
 * 被动使用类字段不触发初始化、演示三
 * @author lastwhisper
 */
public class NotInitialization3 {
    public static void main(String[] args) {
        // 常量在编译阶段会进行常量优化，将常量存入**调用类**的常量池中，
        // 本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。
        System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
        // hello world
    }
}

打印结果：ConstClass类并未初始化。

hello world

参考

《深入理解Java虚拟机》