JVM—类的生命周期

目录

类的生命周期

加载阶段

连接阶段

验证阶段

准备阶段

解析阶段

初始化阶段

面试题1

面试题2 

---

类的生命周期

类的生命周期描述了一个类加载、使用、卸载的整个过程，整体可以分为以下五个阶段。
1. 加载
2. 连接，其中又分为验证、准备、解析三个子阶段
3. 初始化
4. 使用
5. 卸载

加载阶段

一、加载阶段的第一步是类加载器通过不同的渠道，以二进制流的形式获取字节码信息，这些渠道可以通过程序员使用Java代码进行扩展，常见渠道如下。
1. 从本地磁盘上获取文件
2. 运行时通过动态代理生成，比如Spring框架
3. Applet技术通过网络获取字节码文件

二、类加载器加载类后，Java虚拟机会将字节码中的信息存储到方法区，并在方法区中生成一个 InstanceKlass 对象。这个对象保存了类的所有信息，包括实现多态等特定功能的信息。

三、Java虚拟机同时会在堆上生成与方法区中数据相似的 java.lang.Class 对象，其作用是在Java代码中获取类的信息并存储静态字段的数据（适用于JDK8及之后版本）。

堆中的对象仅包含方法区对象的部分信息。对开发者而言，只需访问堆中的 Class 对象，而无需接触方法区中的所有信息。这样，Java虚拟机可以有效控制开发者对数据的访问范围。

---

连接阶段

验证阶段

验证阶段的主要目的是检测Java字节码文件是否符合《Java虚拟机规范》的约束。该阶段通常无需程序员参与，主要包括以下四个部分，具体细节请参见《Java虚拟机规范》：
1. 文件格式验证：检查文件是否以0xCAFEBABE开头，以及主次版本号是否符合当前Java虚拟机版本的要求；
2. 元信息验证：确保类具有父类（即super不能为null）；
3. 指令语义验证：检查程序执行指令的正确性，例如方法内指令是否跳转到合法的位置；
4. 符号引用验证：确认是否尝试访问其他类中的private方法等。

准备阶段

准备阶段负责为静态变量（static）分配内存并设置初始值。在这一阶段，每种基本数据类型和引用数据类型都有其特定的默认值。而在初始化阶段，静态变量的值才会被更新为代码中指定的值。需要注意的是，对于被 final 修饰的基本数据类型静态变量，准备阶段会直接将其赋予代码中指定的值。这一阶段的重要性在于，它确保所有静态变量在类加载时都有一个一致的状态，为后续的初始化提供基础。

解析阶段

解析阶段的主要任务是将常量池中的符号引用替换为直接引用。在字节码文件中，符号引用通过编号访问常量池的内容，而直接引用则使用内存地址进行访问。这一转换提高了访问效率，减少了查找开销，使得Java虚拟机能够更快速地定位和使用数据。

---

初始化阶段

初始化阶段会执行字节码文件中clinit（class init 类的初始化）方法的字节码指令，包含了静态代码块中的代码，并为静态变量赋值。

public class Demo1 {public static int value = 1;static {value = 2;}public static void main(String[] args) {}
}

以上代码编译成字节码文件之后，会生成以下三个方法：
1、init方法：会在对象初始化时执行
2、main方法：主方法
3、clinit方法：类的初始化阶段执行

接下来分析clinit方法中的字节码指令

1、iconst_1，将常量1放入操作数栈。此时栈中只有1这个数；
2、putstatic指令会将操作数栈上的数弹出来，并放入堆中静态变量的位置，字节码指令中#2指向了常量池中的静态变量value，在解析阶段会被替换成变量的地址；
3、前面两步操作相当于执行value=1；后面两步操作同理，执行value=2，将堆上的value赋值为2。

public class Demo1 {static {value = 2;}public static int value = 1;public static void main(String[] args) {}
}/*  原代码顺序public static int value = 1;static {value = 2;}
*/

如果将代码的位置互换，字节码指令的位置也会发生变化，如下图。 这样初始化结束之后，最终value的值就变成了1而不是2。

---

引起clinit执行的几种情况
1. 访问类的静态变量或静态方法；
注意：如果变量被 final 修饰且等号右侧的值是常量，则不会触发初始化。
2. 调用 Class.forName(String className) 时；
3. 创建该类的对象（使用 new 关键字）；
4. 执行该类的 main 方法时。
Tip：添加-XX:+TraceClassLoading 参数可以打印出加载并初始化的类

clinit不会执行的几种情况
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；（如：public static int a;）
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；
（如：public final static int a= 10;）
4.数组的创建不会导致数组中元素的类进行初始化。

---

面试题1

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");}
}

以上代码的输出结果是什么？
1、执行main方法之前，会先执行该类的clinit方法。clinit方法中执行了静态代码块中的方法，因此输出D；
2、之后走main方法，输出A；
3、随后创建两个对象，原则上会执行两次对象初始化的指令，但该对象在第一步时已经被加载并初始化，所以此处不再加载与初始化，而是走构造方法；
4、构造代码块优先于构造方法执行，因此先输出C，再输出B；创建两个对象，因此输出CBCB；
5、所以代码输出的结果为DACBCB

---

面试题2

public class Demo01 {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;}
}

以上代码的输出结果是什么？
1、调用new创建对象，需要初始化B02，有父类的情况优先初始化父类；
2、执行A02的初始化代码，最终将a赋值为1；
3、父类初始完成，进行本类B02初始化，将a赋值为2；
4、最终输出2。

变形
如果将new B02();注释掉会怎么样？
分析步骤：
1、访问父类的静态变量，只初始化父类，不初始本类；
2、执行A02的初始化代码，将a赋值为1；
3、最终输出1。

总结
1、直接访问父类的静态变量，不会触发子类的初始化。
2、子类的初始化clinit调用之前，会先调用父类的clinit初始化方法