JVM基础：类的生命周期详解

JDK版本：jdk8
IDEA版本：IntelliJ IDEA 2022.1.3

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一. 生命周期概述

👉概述

类的生命周期描述了一个类加载、使用、卸载的整个过程

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二. 加载阶段(Loading)

2.1 加载步骤

1、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

👉有如下渠道

• 本地文件：磁盘上的字节码文件
• 动态代理生成：程序运行时使用动态代理生成
• 通过网络传输的类：早期的Applet技术使用

2、类加载器在加载完类之后，Jva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，Jva虚拟机会将字节码中的信息保存到内存的方法区[虚概念]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，它的作用是在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）

❗️注意：堆区中保存静态字段的数据

❗️注意

方法区中的InstanceKlass对象与堆中的java.lang.Class对象相互关联，你既可以通过InstanceKlass对象找到对应的java.lang.Class对象，也可以通过java.lang.Class对象找到关联的InstanceKlass对象

示例代码如下

Class<Person> aClass = Person.class;
//获取定义的方法信息
Method[] methods = aClass.getMethods();
//获取定义的字段信息
Field[] fields = aClass.getFields();

✔️分析如下

上述Java代码通过Person.class【反射】获取了Person类的Class对象【Java.lang.Class】，然后通过该对象分别获取了该类中定义的方法信息和字段信息。

• aClass.getMethods()返回Person类中所有公共方法（包括继承自父类的方法）的数组，包括公共、保护、默认和私有方法，但不包括构造方法。
• aClass.getFields()返回Person类中所有公共字段（包括继承自父类的字段）的数组，包括公共、保护、默认和私有字段。

🤔疑问

①为什么JVM需要在方法区和堆区中各创建一个对象？如果不要堆里的对象，而只留方法区中的对象，使用反射时只去获取方法区中的对象，这样不是能节省一定的内存空间吗？

👉原因

• 方法区中的InstanceKlass对象是使用C++语言编写的对象，而Java语言一般不能操纵使用C++语言编写的对象，所以JVM 会在堆区中创建一个使用Java编写的Java.lang.Object对象，这样可以在Java代码中获取这个对象
• 堆中的Java.lang.Object对象中的字段信息要少于方法区中的InstanceKlass对象，而InstanceKlass对象中的所有信息对开发者来说并不是所有都需要的，比如InstanceKlass对象中的虚方法表，这个虚方法表是JVM在底层实现多态时而去使用，对开发者而言，完全不需要去使用它，因此基于控制开发者访问部分数据的范围，实现提升数据的安全性

所以，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。这样Java虚拟机就能很好地控制开发者访问数据的范围

你怎么知道静态字段的数据是保存在堆区？或者说你怎么查看内存中的对象信息？且看如下阐述

2.2 查看内存中的对象

案例

查看测试代码的内村信息（这里以jdk8为例）

import java.io.IOException;public class PersonDemo {public static final int i = 1;public static void main(String[] args) throws IOException {PersonDemo personDemo = new PersonDemo();System.in.read();}
}

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。

👉步骤

①打开jdk8所在的安装目录下lib文件夹下，输入cmd回车打开命令窗口

②输入命令：java -cp sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

③再打开一个cmd命令窗口，运行命令：jps，以获取当前要查看的Java程序的进程ID

④ File -> Attach to HotSpot process -> 输入你要查看的Java程序的进程ID -> OK

⑤输入要查看的Java进程ID，点击OK，我们就可以看到相应的进程信息

⑥ Tools -> Object Histogram ，然后输入类的全类名找到指定的对象信息

⑦按如下步骤查看对象的内存信息

👉总结

类在加载阶段中分别在方法区和堆区各创建了一个对象，且静态变量存放在堆区中

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三. 连接阶段(Linking)

3.1 连接之验证

它是连接（Linking）阶段的第一个环节，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。

案例

修改文件头的CA改为AA，重新编译Java代码运行测试

运行如下

2.元信息验证，例如类必须有父类(superz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privatel的方法等

3.2 连接之准备

👉目的

为静态变量(static)分配内存并设置初始值（jdk8 及之后的版本）

👉注意

• 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

3.3 连接阶段之解析

👉目的

主要是将常量池中的符号引用替换为直接引用

而直接引用不再使用编号，而是使用内存中地址进行访问具体的数据，使用效率会更高

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四. 初始化阶段(Initialization)

👉目的

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。执行流程与代码流程一致

✔️Trips

初始化阶段会执行字节码文件中clinit部分[类的初始化]的字节码指令

4.1 单个类的初始化

案例

分析下面的代码中静态变量赋值过程

示例代码①

public class PersonDemo {public static  int i = 1;static {i = 2;}public static void main(String[] args) throws IOException {}
}

字节码指令如下

解读如下

0: iconst_1        // 将整数值1压入操作数栈顶
1: putstatic #7    // 将操作数栈顶的值（1）存入常量池索引为7的静态字段4: iconst_2        // 将整数值2压入操作数栈顶
5: putstatic #7    // 将操作数栈顶的值（2）存入常量池索引为7的静态字段8: return          // 结束当前方法（此处为静态初始化块）

👉结合常量池信息（由#7 <com/fc/pojo/PersonDemo.i : I>给出），可以得知：

• 常量池索引为7的项指向com.fc.pojo.PersonDemo类中的静态字段i，类型为int（I表示整型）

代码示例②

public class PersonDemo {static {i = 2;}public static  int i = 1;public static void main(String[] args) throws IOException {}
}

字节码指令如下

解读如下

0: iconst_2        // 将整数值2压入操作数栈顶
1: putstatic #7    // 将操作数栈顶的值（2）存入常量池索引为7的静态字段4: iconst_1        // 将整数值2压入操作数栈顶
5: putstatic #7    // 将操作数栈顶的值（1）存入常量池索引为7的静态字段8: return          // 结束当前方法（此处为静态初始化块）

clinit方法中的执行顺序与]ava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finl修饰的并且等号右边是常量不会触发初始化。

2.调用Class.forName(String className)

3.new一个该类的对象时

4.执行Main方法的当前类。

✔️Trips

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

👉使用步骤

①按照如下步骤添加参数

② 再次运行程序，就会打印类的加载信息

⚠️ 笔试例题

下例代码的输出结果是什么？

代码示例如下：

public class test1 {public static void main(String[] args) {System.out.println("A");}public test1(){System.out.println("B");}{System.out.println("C");}static {System.out.println("D");}}

👉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

• 无静态代码块且无静态变量赋值语句

• 有静态变量的声明，但是没有赋值语句

  • public static  int i;
    

  • 

• 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

  • public static final int i = 1;
    

  • 

4.2 子类继承父类的初始化

👉

• 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cliniti调用之前，会先调用父类的clinit初始化方法

⚠️ 笔试例题

下面代码的输出结果是什么？

public class test03 {public static void main(String[] args){new B02();System.out.println(B02.a);}}class  A02{static int a = 0;static {a = 1;}
}class B02 extends A02{static {a = 2;}
}

🤔思考

①以下代码的运行结果是什么？

public class test3 {public static void main(String[] args){test03_A[] a = new test03_A[5];}
}class test03_A {static {System.out.println("test03_A的静态代码块执行");}
}

运行如下

✔️分析如下

数组的创建本身确实不会导致数组中元素的类进行初始化。这里的“类初始化”指的是Java类加载机制中的类初始化阶段（Class Initialization），在这个阶段会执行类的静态初始化块（static initialization blocks）以及初始化所有的静态字段。数组的创建过程与类初始化是两个不同的概念，其区别在于：

• 数组创建： 创建数组时，JVM会为数组分配一块连续的内存空间来存放数组元素。对于基本类型数组（如int[]、double[]等），数组元素会被自动赋予该类型的默认值（如int数组元素默认为0）。对于引用类型数组（如String[]、MyClass[]等），数组元素则被初始化为null。这个过程仅仅是为数组分配内存和设置初始值，并不涉及数组元素所指向的具体类的初始化。

• 类初始化： 类初始化发生在类的首次主动使用时，包括：

  • 调用类的静态方法
  • 访问类的静态字段（除final常量外，因为final常量在编译期间就已经确定，无需运行时初始化）
  • 实例化类的实例
  • 使用反射调用类的方法或访问字段
  • 初始化子类时，如果父类还未初始化，则先初始化父类
  • 当满足上述条件之一时，JVM会确保类的初始化阶段被执行，包括执行静态初始化块和初始化静态字段。

回到数组创建的话题，数组只是存储元素的容器，创建数组时并未触发对数组元素的任何方法调用或字段访问，更没有实例化数组元素对应的类。因此，数组创建并不会直接导致数组元素所代表的类进行初始化。只有当后续代码中显式地访问或实例化这些数组元素时，才会触发相应的类初始化。

🌰举个例子：

MyClass[] myArray = new MyClass[10];

在这段代码中，创建了一个长度为10的MyClass对象数组。数组创建完毕后，数组中的所有元素都被初始化为null。此时，MyClass类并没有被初始化，因为没有发生上述类初始化的触发条件。只有当后续代码试图实例化其中一个数组元素，如：

myArray[0] = new MyClass();

这时才真正触发了MyClass的实例化（即类初始化），因为创建MyClass实例属于类的主动使用。

总结来说，数组的创建仅涉及内存分配和元素的默认初始化（基本类型为默认值，引用类型为null），并不引发数组元素所代表的类的初始化。类初始化是在后续代码中，当首次主动使用该类时由JVM自动触发的。

👉结论

数组的创建不会导致数组中元素的类进行初始化

②类的初始化和对象的实例化是同一个概念吗？

类的初始化和对象的实例化是Java编程中两个相关但不同的概念。它们分别对应着Java类生命周期的不同阶段。简单来说：

• 类的初始化：
  • 发生时间：类的初始化发生在类第一次被加载到JVM（Java虚拟机）并且准备使用时。具体来说，当某个类首次被主动使用（如创建该类的实例、访问该类的静态成员、调用该类的静态方法等）或者其子类被加载时，JVM会确保该类已经被加载并完成初始化。
  • 目的：为类的静态成员设置初始状态，执行必要的静态资源准备工作。
  • 主要内容：
    • 静态成员变量的初始化：按照声明顺序，为类的静态成员变量赋初值。
    • 静态初始化块（Static Initialization Block）的执行：如果类中定义了静态初始化块，这些代码将在类加载期间按其出现顺序依次执行。
    • 父类的初始化：若当前类有父类且尚未被初始化，会先递归初始化其直接父类及其祖先类。
• 对象的实例化：
  • 发生时间：对象的实例化发生在运行时，当使用 new 关键字、反射API或者其他能够创建新对象的方式显式地创建类的一个实例时。
  • 目的：创建出一个具体的类实例，为实例变量设定初始状态，执行与对象创建相关的定制化操作。
  • 主要内容：
    • 内存分配：为新对象在堆上分配足够的内存空间。
    • 实例成员变量的默认初始化：所有实例变量会被自动赋予其数据类型的默认值（如整型为0、浮点型为0.0、引用类型为 null 等）。
    • 实例初始化块（Instance Initialization Block）的执行：如果有实例初始化块，它们会在构造器调用之前按声明顺序执行。
    • 构造器调用：调用与创建对象所对应的构造器，执行构造器内的初始化代码，为实例变量赋予特定的初始值，可能还会执行其他逻辑。

综上所述，类的初始化不是对象的实例化。它们是Java类生命周期中不同阶段的两种独立行为。类初始化关注于类的静态成员及资源的初始化，是针对类本身的；而对象实例化则是针对类的具体实例，包括为其分配内存、初始化实例变量以及可能的构造器调用。类初始化通常在程序启动初期或首次使用类时一次性完成，而对象实例化则可以在程序运行过程中随时发生，每次创建新对象时都会进行实例化过程。

③以下代码的运行结果是什么？

final int a =final int a =a = Integer.valueOf(1);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("test4_A的静态代码块执行");}
}

运行如下

✔️分析如下

我们知道，final修饰的基本数据类型的静态变量，在准备阶段时会直接将代码中的值进行赋值，而 int a = Integer.valueOf(1)是将Integer 对象转换为其对应的原始类型 int，赋值1给变量a，尽管变量a是通过final修饰，但在准备阶段时JVM并没有识别出变量a最终的值是基本数据类int的1，它是需要执行指令才能得出结果，也就是说你只有明白的告诉JVM，a的值就是1（final int a =1），程序才不会执行test4_A的初始化

结论

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

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参考资料

https://www.bilibili.com/video/BV1r94y1b7eS?p=11&spm_id_from=pageDriver&vd_source=5a34715e416a427a73a3ca52397848b5