JVM 类初始化和类加载详解

news2025/6/6 11:15:07

类初始化和类加载

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类加载的时机

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类型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（懒解析），这是为了支持Java语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）。

这里是按部就班地“开始”，而不是按部就班地“进行” 或按部就班地“完成”，强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，会在一个阶段执行的过程中调用、激活另一个阶段。

也就是说，当加载一个类时，当只加载了一部分，就可以验证这一部分，不需要等待全部加载完毕才开始验证验证完的部分如果可以准备，那就马上可以准备，不需要等待验证完毕再准备

有且只有六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）：

遇到new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段。能够生成这四条指令的典型Java代码场景有：
- 使用new关键字实例化对象的时候
- 读取或设置一个类型的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候
- 调用一个类型的静态方法的时候。
使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化
当初始化类的时候，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。
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。
当一个接口中定义了JDK 8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。
当使用JDK7新加入的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、 REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

以上六种情况称为对一个类型进行主动引用，除此之外，所有引用类型都不会触发初始化，称为被动引用，例如：

通过子类引用父类的静态字段，父类会初始化，子类不会初始化，至于子类是否要加载和验证，java虚拟机规范没有明确规定，对于HotSpot来说，可以通过-XX:+TraceClassLoading参数观察到此操作会导致子类加载
通过数组定义来引用类，例如定义了数组Service[] arr = new Service[10]，不会导致Service类初始化
调用一个类的静态常量，不会导致该类初始化，因为静态常量的赋值被提前到了准备阶段

过程：

加载：

在加载阶段，Java虚拟机需要完成以下三件事情：

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
在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各种数据的访问入口。

加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了，类型数据妥善安置在方法区之后，会在Java堆内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口。

验证：

确保加载的类文件符合JVM的规范，不会危害JVM的安全。

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到一半强行跳转到其他方法中去。

4.符号引用验证，例如是否访问了其他类中private的方法等。

准备：

为静态变量分配内存，设置默认值（赋值初始值需要在类的初始化阶段才执行），如果是final修饰的静态变量，则准备阶段赋值

解析：

将常量池中的符号引用替换成直接引用，《Java虚拟机规范》之中并未规定解析阶段发生的具体时间，可以在类被加载器加载时就解析，也可以等一个符号引用被使用前才去解析

初始化：

之前介绍的几个类加载的动作里，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器的方式局部参与外，其余动作都完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。

初始化阶段就是执行类构造器()方法的过程。()并不是程序员在 Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物：

()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块 （static{}块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问

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()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块 （static{}块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问
<-clinit>()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器<-init>()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的<-clinit>()方法执行前，父类的<-clinit>()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的<-clinit>() 方法的类型肯定是java.lang.Object。
<-clinit>()方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成()方法。
接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成<-clinit>()方法。但接口与类不同的是，执行接口的()方法不需要先执行父接口的<-clinit>()方法，因为只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。此外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的<-clinit>()方法。
Java虚拟机必须保证一个类的<-clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁同步

卸载

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构造方法的执行时机

默认初始化
对象内存分配后，所有成员变量会被赋予默认值（如 int 默认为 0，对象引用默认为 null）。
显式初始化与实例初始化块
- 成员变量在声明时直接赋值（如 int a = 1;）。
- 实例初始化块（用 {} 包裹的代码块）。
  这两类代码按它们在类中出现的先后顺序执行。
构造方法体
最后执行构造方法中的代码（{} 内的语句）。

举例子

package q3loadclass;

public class Demo1 {
    public static int value = 1;
    static {
        value = 2;
    }
    {
        value = 3;
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Demo1();
        System.out.println(value);
    }
}