JVM类的声明周期

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生命周期概述

Java类的生命周期包括以下阶段：

1. 加载（Loading）：当Java程序需要使用某个类时，JVM会检查该类是否已经被加载，如果没有加载，JVM会从磁盘中读取该类的字节码文件并创建一个Class对象，然后将该Class对象存放在方法区中。

2. 验证（Verification）：在加载类的过程中，JVM会对该类的字节码进行验证，以确保它符合Java虚拟机规范，不会对虚拟机造成安全上的威胁。

3. 准备（Preparation）：在准备阶段，JVM会为类的静态变量分配内存并设置默认值（0或null），并将这些变量存放在方法区中。

4. 解析（Resolution）：在解析阶段，JVM会将类中的符号引用转换为直接引用，以便于JVM能够快速访问类中的方法和变量。

5. 初始化（Initialization）：在初始化阶段，JVM会执行类的初始化代码，包括静态变量赋值和静态代码块的执行。如果该类有父类，JVM会先初始化父类。

6. 使用（Using）：在使用阶段，JVM会调用类中的方法和访问类中的变量。

7. 卸载（Unloading）：当JVM确定某个类实例已经不再被使用时，会将该类的Class对象从方法区中移除，这个过程称为卸载。

加载阶段

1. 加载(Loading)阶段第一步是类加载器根据类的全限定名通过不同的渠道以二进制流的方式获取字节码信息。程序员可以使用Java代码拓展的不同的渠道。
   
2. 类加载器在加载完类之后，Java虚拟机会将字节码中的信息保存到方法区中
   
3. 类加载器在加载完类之后，Java虚拟机会将字节码中的信息保存到内存的方法区中
   • 生成一个InstanceKlass对象，保存类的所有信息，里边还包含实现特定功能比如多态的信息
     
4. 同时，Java虚拟机还会在堆中生成一份与方法区中数据类似的java.lang.Class对象
   • 作用：在Java代码中去获取类的信息以及存储静态字段的数据（JDK8及之后）
     

• 对于开发者来说，只需要访问堆中的Class对象而不需要访问方法区中所有信息
  

查看内存中的对象

• 推荐使用 JDK自带的hsdb工具查看Java虚拟机内存信息。工具位于JDK安装目录下lib文件夹中的sa-jdi.jar中。
• 启动命令：

  java -cp sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB
  

连接阶段

1. 验证（Verification）：在加载类的过程中，JVM会对该类的字节码进行验证，以确保它符合Java虚拟机规范，不会对虚拟机造成安全上的威胁。

2. 准备（Preparation）：在准备阶段，JVM会为类的静态变量分配内存并设置默认值（0或null），并将这些变量存放在方法区中。

3. 解析（Resolution）：在解析阶段，JVM会将类中的符号引用转换为直接引用，以便于JVM能够快速访问类中的方法和变量。

连接阶段之验证

• 连接（Linking）阶段的第一个环节是验证，验证的主要目的是检测Java字节码文件是否遵守了《Java虚拟机规
  范》中的约束。这个阶段一般不需要程序员参与。

• 主要包含如下四部分，具体详见《Java虚拟机规范》：

  1. 文件格式验证，比如文件是否以0xCAFEBABE开头，主次版本号是否满足当前Java虚拟机版本要求
     
  2. 元信息验证，例如类必须有父类（super不能为空）
     
  3. 验证程序执行指令的语义，比如方法内的指令执行中跳转到不正确的位置
     
  4. 符号引用验证，例如是否访问了其他类中private的方法等。

---

• 版本号的检测：Hotspot JDK8中虚拟机源码对版本号检测
  
  • 主版本号不能高于运行环境主版本号，如果主版本号相等，副版本号也不能超过。

连接阶段之准备

• 准备阶段为静态变量（static）分配内存并设置初始值
  
• 准备阶段只会给静态变量赋初始值，而每一种基本数据类型和引用数据类型都有其初始值。
  
• final修饰的基本数据类型的静态变量，准备阶段直接会将代码中的值进行赋值。
  

连接阶段之解析

• 解析阶段主要是将常量池中的符号引用替换为直接引用。
• 符号引用就是在字节码文件中使用编号来访问常量池中的内容。
  
• 直接引用不在使用编号，而是使用内存中地址进行访问具体的数据。
  

初始化阶段

• 初始化阶段会执行静态代码块中的代码，并为静态变量赋值

• 初始化阶段会执行字节码文件中clinit部分的字节码指令
  
  
  

• clinit方法中的执行顺序与Java中编写的顺序是一致的
  

• 以下几种方式会导致类的初始化

  1. 访问一个类的静态变量或者静态方法，注意变量是final修饰的并且等号右边是常量不会触发初始化。

  public class Demo1 {
      public static void main(String[] args) {
          int i = Demo2.i;
          System.out.println(i);
      }
  }
  
  
  class Demo2{
      static {
          System.out.println("初始化了...");
      }
      public static final int i = 0;
  }
  

  2. 调用Class.forName(String className)。

  public class Demo3 {
      public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
          Class<?> clazz = Class.forName("init.ways.Demo4");
      }
  }
  
  
  class Demo4{
      static {
          System.out.println("初始化了...");
      }
  }
  

  3. new一个该类的对象时。
  4. 执行Main方法的当前类。

  public class Demo5 {
      static {
          System.out.println("Demo5初始化了...");
      }
      public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
          new Demo6();
      }
  }
  
  
  class Demo6{
      static {
          System.out.println("Demo6初始化了...");
      }
  }
  

• 添加-XX:+TraceClassLoading 参数可以打印出加载并初始化的类

练习题目一

• 请给出运行结果，并说明原因

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("A");
        new Test1();
        new Test1();
    }
    public Test1(){
        System.out.println("B");
    }
    {
        System.out.println("C");
    }
    static {
        System.out.println("D");
    }
}

代码的执行结果为：

D
A
C
B
C
B

原因是：

1. 静态代码块 `static {...}` 会在类加载时执行，因此会先输出 "D"。
2. `main` 方法中先输出 "A"。
3. 接着创建了两个 `Test1` 对象，因此会分别调用两次构造方法 `public Test1() {...}`。
4. 在构造方法之前，非静态代码块 `{...}` 会先执行，因此会先输出 "C"。
5. 每次创建 `Test1` 对象时，都会执行一次非静态代码块和构造方法，因此会输出两次 "C" 和两次 "B"。

• 详细分析：
  
• 局部代码块（也可以叫做构造代码块） 每次创建对象，调用构造器之前，都会执行该代码块中的代码
  

---

练习题目二

• clinit指令在特定情况下不会出现，比如：如下几种情况是不会进行初始化指令执行的

  1. 无静态代码块且无静态变量赋值语句。
  2. 有静态变量的声明，但是没有赋值语句。
  3. 静态变量的定义使用final关键字，这类变量会在准备阶段直接进行初始化
     

• 直接访问父类的静态变量，不会触发子类的初始化

• 子类的初始化clinit调用之前，会先调用父类的clinit初始化方法
  

• 如果把new B02()去掉，结果如下
  

练习题目三

• 数组的创建不会导致数组中元素的类进行初始化

  public class Test2 {
      public static void main(String[] args) {
          Test2_A[] arr = new Test2_A[10];
  
      }
  }
  
  class Test2_A {
      static {
          System.out.println("Test2 A的静态代码块运行");
      }
  }
  

  • 运行的结果是什么都没输出
• 解释
  • 创建一个类的数组不会导致该类被初始化，没有创建 Test2_A 类型的实例对象，因此该类不会被加载。

• 静态代码块是在类加载时进行初始化的，具体来说，当 JVM 加载一个类时，会先加载该类的父类（如果有父类的话），然后再加载该类本身。在加载类的过程中，JVM 会执行该类的静态代码块，以完成静态成员变量的初始化和其他一些静态操作。

练习题目四

• final修饰的变量如果赋值的内容需要执行指令才能得出结果，会执行clinit方法进行初始化

public class Test4 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Test4_A.a);
    }
}

class Test4_A {
    public static final int a = Integer.valueOf(1);

    static {
        System.out.println("Test3 A的静态代码块运行");
    }
}

• 运行结果为：

Test3 A的静态代码块运行
1

public class Test4 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Test4_A.a);
    }
}

class Test4_A {
    public static final int a =1;

    static {
        System.out.println("Test3 A的静态代码块运行");
    }
}

• 运行结果为：

1

• 如果一个类中定义了静态成员变量，并且这些成员变量都是编译期常量（比如使用 final 关键字修饰的常量），那么在访问这些常量时，编译器会直接将常量的值嵌入到字节码中，而不是在运行时动态计算。这个过程被称为编译期常量折叠（Compile-Time Constant Folding）。

• 在这种情况下，如果静态代码块中的代码并没有涉及到这些常量，那么在访问这些常量时，并不会触发类的初始化，也就不会执行静态代码块中的代码。因此，如果一个类中定义了静态成员变量，并且这些成员变量都是编译期常量，并且静态代码块中的代码并没有涉及到这些常量，那么在访问这些常量时，不会触发静态代码块的执行。

使用阶段

• 使用阶段是Java类生命周期中最重要的阶段，也是Java程序运行的核心阶段。在使用阶段中，Java类可以被创建、实例化、调用方法、访问变量等。

1. 创建对象：在使用阶段中，可以通过关键字new创建一个类的对象

   String str = new String("Hello World!");
   

2. 实例化：在使用阶段中，可以通过构造方法来实例化一个类的对象。

   Date date = new Date();
   

3. 调用方法：在使用阶段中，可以通过对象来调用类中的方法

   int length = str.length();
   

4. 访问变量：在使用阶段中，可以通过对象来访问类中的变量

   double pi = Math.PI;
   

卸载阶段

• 卸载阶段是Java类生命周期中的最后一个阶段。在卸载阶段中，Java虚拟机会卸载不再需要的类和类加载器，从而释放内存空间。

• 主要作用是清理内存，提高程序性能。

• 一个类被卸载的条件是它的所有实例都已经被销毁，同时该类的类对象和类加载器也都已经被销毁。

  • 当一个类被卸载时，Java虚拟机会先卸载该类的所有实例，然后卸载该类的类对象和类加载器。如果该类有子类，子类也会被卸载。如果父类和子类都没有被卸载，那么子类的类加载器也不会被卸载。

• Java虚拟机在卸载类时，会调用该类的finalize()方法，该方法可以被子类重写以完成一些清理工作。在finalize()方法中，可以关闭文件、释放资源等操作。如果一个类没有重写finalize()方法，Java虚拟机会自动调用默认的finalize()方法。

• 注意，Java虚拟机并不保证在任何时刻都会卸载一个类。在某些情况下，Java虚拟机可能会选择不卸载一个类，而是将其保留在内存中以提高程序性能。例如，如果一个类被频繁使用，Java虚拟机可能会将其保留在内存中以避免重复加载。

总结

• 几个要点：
  1. 静态变量的定义使用final关键字，这类变量会在准备阶段直接进行初始化（除非要执行方法）。
  2. 直接访问父类的静态变量，不会触发子类的初始化。子类的初始化cinit调用之前，会先调用父类的cinit初始化方法。