JVM之:类加载


一、类加载

  • 在Java代码中,类型(Java Class)的加载、连接与初始化过程都是在程序运行期间完成的。
  • 提供了更大的灵活性,增加了更多的可能性

1. Java虚拟机与程序的生命周期

  • 在如下几种情况下,Java虚拟机会结束生命周期:
    • 执行了Systemn.exit()方法
    • 程序正常执行结束
    • 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
    • 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

2. 类加载过程

类加载过程包括:加载、连接与初始化

  • 加载:查找并加载类的二进制数据

  • 连接

    • 验证:确保被加载的类的正确性
    • 准备:为类的静态变量分配内存,并将其初始化为默认值(零值)
    • 解析:把类中的符号引用转换为直接引用
  • 初始化:为类的静态变量赋予正确的初始值

3. 类的使用与卸载

  • 使用:类加载完成后就可以在程序中使用
  • 卸载:被加载的类可以被卸载,卸载后就无法再使用

4. 类的使用方式

Java程序对类的使用方式可分为两种:

  • 主动使用

    以下七种情况都是对类的主动使用:

    • 创建类的实例
    • 访问某个类或接口的静态变量(getstatic),或者对该静态变量赋值(putstatic
    • 调用类的静态方法(invokestatic
    • 反射(如Class.forName("com.test.Test"))
    • 初始化一个类的子类时,是对父类的主动使用
    • Java虚拟机启动时被表明为启动类的类(main方法)
    • JDK1.7开始提供的动态语言支持:
      • java.lang.invoke.MethodHandle实例的解析结果REF_getStatic,REF_putStatic,REF_invokeStatic句柄对应的类没有初始化,则初始化
  • 被动使用

    除了以上七种主动使用的情况,其他使用Java类的方式都被看作对类的被动使用

两个重要结论:

  • 所有的Java虚拟机实现必须在每个类或接口被Java程序首次主动使用时才初始化他们
  • 除了以上七种情况,其他使用Java类的方式都被看作对对类的被动使用,都不会导致类的初始化

5. 类的加载

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中,将其放在运行时数据区的方法区内,然后在内存中创建一个java.lang.Class对象(规范并未说明Class对象位于哪里,HotSpot虚拟机将其放在了方法区中)用来封装类在方法区内的数据结构。

类加载方式

加载.class文件包括多种方式,如:

  • 从本地系统中直接加载
  • 通过网络下载.class文件
  • 从zip,jar等归档文件中加载.class文件
  • 从专有的数据库中提取.class文件
  • 将Java源文件动态编译为.class文件 (如JSP)

6. 程序示例

程序示例1

本示例演示类的主动使用、被动使用

代码1:

package com.yglong.jvm.classloader;

public class MyTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(MyChild1.str);
        // System.out.println(MyChild1.welcome);
    }
}

class MyParent1 {
    public static String str = "Hello world";
    // 注意:静态代码块只有在类被初始化时才会被执行
    static {
        System.out.println("MyParent1 static block");
    }
}

class MyChild1 extends MyParent1 {
    public static String welcome = "welcome";
    static {
        System.out.println("MyChild1 static block");
    }
}

输出结果:

MyParent1 static block
Hello world

解析:

  • 执行程序main方法时,访问了MyParent1类的静态变量str,满足七种主动使用情况中的情况之一:访问类的静态变量,因此是对MyParent1的主动使用,所以MyParent1会被初始化。而初始化类时会执行静态代码块内的代码,因此打印MyParent1 static block

  • 虽然是通过MyChild1来引用的str,但是并不是访问的MyChild1的静态变量,因此并不是对MyChild1的主动使用,所以不会初始化MyChild1类,因此MyChild1的静态代码块并不会执行

修改代码如下:

代码2:

package com.yglong.jvm.classloader;

public class MyTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        // System.out.println(MyChild1.str);
        System.out.println(MyChild1.welcome);
    }
}

class MyParent1 {
    public static String str = "Hello world";
    // 注意:静态代码块只有在类被初始化时才会被执行
    static {
        System.out.println("MyParent1 static block");
    }
}

class MyChild1 extends MyParent1 {
    public static String welcome = "welcome";
    static {
        System.out.println("MyChild1 static block");
    }
}

输出结果:

MyParent1 static block
MyChild1 static block
welcome

解析:

  • 这次执行程序main方法时,访问了MyChild1的静态变量welcome,因此是对MyChild1的主动使用,因此会初始化MyChild1类。
  • 而初始化一个类时,要求其父类全部都已经初始化完毕,因此MyParent1会先被初始化,然后初始化MyChild1,所以先执行了MyParent1的静态代码块,然后再执行MyChild1的静态代码块。

结论:

  • 对于静态字段来说,只有直接定义了该字段的类才会被初始化。
  • 当一个类在初始化时,要求其父类全部都已经初始化完毕了。

对于代码1,虽然MyChild1没有被初始化,但是它有没有被加载呢?

我们可以来追踪一下,在运行时加上-XX:+TraceClassLoading,就可以追踪类的加载信息并打印出来。

经笔者测试,对于Oracle JDK自带的HotSpot虚拟机,MyChild1类是会被加载的,只是加载后并不会被初始化。

JVM选项介绍

所有选项都是以-XX:开始,有三种类型:

  • -XX:+<option>,表示开启option选项
  • -XX:-<option>,表示关闭option选项
  • -XX:<option>=<value>,表示将option选项的值设置为value
程序实例2

本示例演示静态常量

package com.yglong.jvm.classloader;

public class MyTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(MyParent2.str);
    }
}

class MyParent2 {
    public static final String str = "hello world";

    static {
        System.out.println("MyParent2 static block");
    }
}

该程序与第一个实例的代码1唯一不同的是在str静态变量上加了一个final将其变为一个常量。

但是输出却不同,输出如下:

hello world

解析:

  • 常量在编译阶段会存入到调用这个常量的方法所在的类的常量池中,本质上,调用类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。而且根据追踪类加载信息,定义常量的类甚至不会被加载。

  • 对于该示例,在编译阶段常量str的值被存放到了MyTest2的常量池中,之后MyTest2与MyParent2就没有任何关系了。这时候即使将MyParent2的class文件删除,也可以正常运行MyTest2。

我们可以将编译后的MyTest2.class文件反编译来看一下。

执行命令:

javap -c com.yglong.jvm.classloader.MyTest2

输出如下:

Compiled from "MyTest2.java"
public class com.yglong.jvm.classloader.MyTest2 {
  public com.yglong.jvm.classloader.MyTest2();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #4                  // String hello world
       5: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return
}

可以看到这一行:

3: ldc           #4                  // String hello world

ldc是一个助记符,它表示将int(除了bipushsipush支持的整数和iconst_1 ~ iconst_5外),float或String类型的常量值从常量池中推送至栈顶。

其他常见助记符:

  • bipush:表示将单字节的常量值(-128 ~ 127)推送至栈顶
  • sipush:表示将一个短整型的常量值(-32768 ~ 32767)推送至栈顶
  • iconst_1 ~ iconst_5:表示将int类型的数字1~5推送至栈顶

文章作者: yglong
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