类加载子系统之类的生命周期（待完善）

0、前言

0.1、类加载子系统在 JVM 中的位置

类加载器负责的事情是：加载、链接、解析

0.2、与类的生命周期相关的虚拟机参数

参数	描述
`-XX:+TraceClassLoading`	打印出加载且初始化的类

1、类的生命周期

堆上的变量在分配空间的时候隐式设置默认初始值（广义0），其中类变量在准备阶段（Preparation）分配空间，成员变量在使用阶段（Using）分配空间

1.1、加载阶段（懒加载）

懒加载的含义是：并不会加载 jar 包中所有的字节码，使用到才会进行加载

加载阶段流程：

通过类的全限定名从某个源位置获取定义此类的二进制字节流（内存）
这个字节流被解析转换为方法区的数据结构（InstanceKlass）
在堆空间中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，java.lang.Class 对象和 InstanceKlass 对象互相指向。作为方法区中这个类的各种操作的访问入口

static 静态字段在 JDK 8 之后和 java.lang.Class 对象存储在一起，即存放在堆空间中

什么是 InstanceKlass

InstanceKlass 是 Java 类在 JVM 中的一个快照，JVM 将从字节码文件中解析出来的常量池，类字段，类方法等信息存储到 InstanceKlass 中，这样 JVM 在运行期便能通过 InstanceKlass 来获取Java类的任意信息，能够对Java类的成员变量进行遍历，也能进行Java方法的调用。这也是Java反射机制的基础，不需要创建对象，就可以查看加载类中的方法，属性等等信息。

Class 对象由 class 字节码 + ClassLoader 共同决定，不同的 ClassLoader 加载同一个 class 字节码得到不同的 Class 对象，即 class 字节码不能够唯一确定 Class 对象。

1.2、链接阶段

子阶段	描述
验证	校验魔数、版本号等
准备	为类变量（static）分配内存空间，并设置默认值（0）
解析	将符号引用处理为直接引用

1.3、初始化阶段

见下面的测试案例

1.4、使用阶段

分为主动使用和被动使用两大类，二者区别在于被动使用的情况下，类只会进行加载而不会进行初始化。

（TODO：主动使用、被动使用的情况，添加一个思维导图进行分类）

1.5、卸载阶段

和 GC 垃圾回收相关

2、用于理解类生命周期的测试案例

2.1、不考虑父子类继承的情况

案例一：认识 `<clinit>` 和 `<init>`

Java 源代码

java 复制代码

public class ClassLifeCycleTest01 {

    public ClassLifeCycleTest01() {
        System.out.println("<init>...2");
    }


    {
        // 在字节码层面，这些非静态代码块最终被添加到构造函数的最前面
        System.out.println("<init>...1");
    }

    static {
        System.out.println("<clinit>...");
    }


    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("ClassLifeCycleTest01 main...");
        new ClassLifeCycleTest01();
        new ClassLifeCycleTest01();
    }
}

字节码

<init> 方法的字节码

c 复制代码

// 成员方法的第一个形参是this（从局部变量表可知），将this压入操作数栈
0 aload_0

// 调用父类（Object）的<init>方法，即构造器方法中隐藏在首行的super()
1 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init> : ()V>

// System.out.println("<init>...1")，先执行构造器方法外面的代码
4 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
7 ldc #3 <<init>...1>
9 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>

// System.out.println("<init>...2")，再执行构造器方法里面的代码
12 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
15 ldc #5 <<init>...2>
17 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>

20 return

输出结果

txt 复制代码

<clinit>...
ClassLifeCycleTest01 main...
<init>...1
<init>...2
<init>...1
<init>...2

总结

<init> 方法（实例对象初始化）的逻辑：
1. 构造器方法作为入口
2. 先执行super()
3. 再执行构造方法外部的代码逻辑（顺序拼接）
4. 最后执行构造方法内部的代码逻辑
<clinit> 方法是存在线程安全问题的，但虚拟机会对这个过程加锁，不需要程序员处理

案例二：强化理解 `<clinit>` 和 `<init>` 的生成逻辑

Java 源代码

java 复制代码

/**
 * 目的：通过一些类变量或成员变量的赋值，进一步理解类生命周期的过程

 * 1. 在变量声明之前的代码块中，该变量只可以作为右值表达式，而不能作为左值

 * 2. 等价形式为：
 * 2.1、将变量声明在类的最前面，初始化为0，
 * 2.2、然后按照再将显式赋值和代码块赋值按照出现顺序，整合为一个init方法或clinit方法
 */
public class ClassLifeCycleTest02 {

    // 变量classVar01定义在静态代码块之前
    static int classVar01;

    static {
    	System.out.println("ClassLifeCycleTest02 clinit ...");
        classVar01 = 20;
        // System.out.println(classVar01);//正常

        classVar02 = 10;
        // classVar02 = classVar01 + 1; //正常，classVar02可以作为右值
        // classVar02 = classVar02 + 1; //异常，classVar01不可以作为左值
        // System.out.println(classVar02);//异常
    }

    // 变量classVar02定义在静态代码块之后
    static int classVar02 = 100;


    public ClassLifeCycleTest02() {
        System.out.println("ClassLifeCycleTest02 constructor ...");
        instanceVar = 30;
    }

    {
        System.out.println("ClassLifeCycleTest02 init ...");
        instanceVar = 10;
        // instanceVar = instanceVar + 2;//异常
        // System.out.println(instanceVar);//异常
    }

    // instanceVar的值变化过程: 0->10->20->30
    private int instanceVar = 20;


    public static void main(String[] args) {
        int var01 = ClassLifeCycleTest02.classVar01;
        int var02 = ClassLifeCycleTest02.classVar02;
        System.out.println(var01);
        System.out.println(var02);


        ClassLifeCycleTest02 demo = new ClassLifeCycleTest02();
        int var = demo.instanceVar;
        System.out.println(var);
    }
}

字节码

<clinit> 方法的字节码

c 复制代码

0 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
3 ldc #12 <ClassLifeCycleTest02 clinit ...>
5 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>

//classVar01 = 20
8 bipush 20
10 putstatic #7 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest02.classVar01 : I>

//classVar02 = 10
13 bipush 10
15 putstatic #8 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest02.classVar02 : I>

// classVar02 = 100
18 bipush 100
20 putstatic #8 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest02.classVar02 : I>

23 return

<init> 方法的字节码

c 复制代码

//1、将this压入操作数栈
 0 aload_0
 
 //2、调用父类的<init>方法，这里父类是Object
 1 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init> : ()V>
 
//3、输出字符串
4 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
7 ldc #3 <ClassLifeCycleTest02 init ...>
9 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>

//（成员变量在堆上分配空间时会设置默认初始值0，无法通过字节码体现出来）
//4、this.instanceVar = 10
12 aload_0
13 bipush 10
15 putfield #5 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest02.instanceVar : I>

//5、this.instanceVar = 20
18 aload_0
19 bipush 20
21 putfield #5 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest02.instanceVar : I>

//6、输出字符串
24 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
27 ldc #6 <ClassLifeCycleTest02 constructor ...>
29 invokevirtual #4 <java/io/PrintStream.println : (Ljava/lang/String;)V>

//7、this.instanceVar = 30
32 aload_0
33 bipush 30
35 putfield #5 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest02.instanceVar : I>

38 return

输出结果

txt 复制代码

ClassLifeCycleTest02 clinit ...
20
100
ClassLifeCycleTest02 init ...
ClassLifeCycleTest02 constructor ...
30

总结

super() 调用的不是父类的构造器，而是父类的 <init> 方法
<clinit> 方法和 <init> 方法的生成逻辑是相同的，区别在于前者针对类变量 ，后者针对成员变量
在变量声明之前的代码块中，如果出现了该变量，那么该变量只能够作为右值表达式 ，而不能作为左值表达式，例如 classVar02 和 instanceVar 变量

针对下面的代码块，可以进行等价处理

java 复制代码

static{
	classVar = 10;
}
static int classVar = 20;

java 复制代码

// 变量声明提前
static int classVar = 0;
static{
	// 顺序添加原来代码块和显式赋值的过程
	classVar = 10;
	classVar = 20;
}

2.2、考虑父子类继承的情况

案例三：隐藏的 `super()` 就是调用父类的 `<init>` 方法

java 复制代码

/**
 * 特别事项：和Main进行对比，一种类的被动使用导致类没有执行clinit初始化
 */
public class ClassLifeCycleTest03 extends ClassLifeCycleTest02 {

    // 变量classVar01定义在静态代码块之前
    static int classVar03;

    static {
        System.out.println("ClassLifeCycleTest03 clinit ...");
        classVar03 = 20;
    }


    private int instanceVar = -20;

    {
        System.out.println("ClassLifeCycleTest03 init ...");
    }

    public ClassLifeCycleTest03() {
        System.out.println("ClassLifeCycleTest03 constructor ...");
        instanceVar = -30;
    }


    public static void main(String[] args) {
        int var01 = ClassLifeCycleTest03.classVar01;
        System.out.println(var01);

        int var02 = ClassLifeCycleTest03.classVar02;
        System.out.println(var02);

        ClassLifeCycleTest03 demo = new ClassLifeCycleTest03();
        int var = demo.instanceVar;
        System.out.println(var);
    }
}

字节码

<init> 的字节码

c 复制代码

0 aload_0

// 这里可以清晰看到调用父类的<init>方法，其它部分在之前的案例中已经介绍
1 invokespecial #1 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest02.<init> : ()V>

4 aload_0
5 bipush -20
7 putfield #2 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest03.instanceVar : I>

10 aload_0
11 bipush -30
13 putfield #2 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest03.instanceVar : I>

16 return

main 的字节码

c 复制代码

// 注意这里的类变量，是ClassLifeCycleTest03.classVar01
0 getstatic #3 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest03.classVar01 : I>
3 istore_1

4 getstatic #4 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
7 iload_1
8 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println : (I)V>

11 getstatic #6 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest03.classVar02 : I>
14 istore_2

15 getstatic #4 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
18 iload_2
19 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println : (I)V>

// ClassLifeCycleTest03 demo = new ClassLifeCycleTest03()的字节码
// new：分配对象空间，设置广义0值，并将对象地址压入操作数栈
// dup：复制栈顶元素
// invokespecial：调用父类的<init>方法（属于字节码层面的方法）
// 将栈顶元素赋值给demo局部变量
22 new #7 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest03>
25 dup
26 invokespecial #8 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest03.<init> : ()V>
29 astore_3

30 aload_3
31 getfield #2 <org/example/lifecycle/ClassLifeCycleTest03.instanceVar : I>
34 istore 4

36 getstatic #4 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;>
39 iload 4
41 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println : (I)V>

44 return

输出结果

txt 复制代码

ClassLifeCycleTest02 clinit ...
ClassLifeCycleTest03 clinit ...
20
100
ClassLifeCycleTest02 init ...
ClassLifeCycleTest02 constructor ...
ClassLifeCycleTest03 init ...
ClassLifeCycleTest03 constructor ...
-30

总结

父类优先于子类（初始化、类加载）

案例四：类的被动使用（调用父类的静态变量）

在案例三中，我们直接在 ClassLifeCycleTest03 这个类中的 main 方法进行测试，而 main 方法被调用会默认去加载当前类，因此会丢失掉一些现象。因此，我们额外定义一个 Main 类来作为测试入口

java 复制代码

import org.junit.jupiter.api.Test;

public class Main {

    /**
     * 和ClassLifeCycleTest03类中的main()方法进行对比
     */
    @Test
    public void compareClassLifeCycleTest03Test01() {
        int var01 = ClassLifeCycleTest03.classVar01;
        System.out.println(var01);

        int var02 = ClassLifeCycleTest03.classVar02;
        System.out.println(var02);
    }


    @Test
    public void compareClassLifeCycleTest03Test02() {
        int var03 = ClassLifeCycleTest03.classVar03;
        System.out.println(var03);

    }

}

输出结果

txt 复制代码

ClassLifeCycleTest02 clinit ...
20
100

txt 复制代码

ClassLifeCycleTest02 clinit ...
ClassLifeCycleTest03 clinit ...
20

总结

类（Class）	类变量（static）	调用示例	类加载（Loading）	类初始化（Initialization）
子类（ClassLifeCycleTest03）	子类（classVar03）	`ClassLifeCycleTest03.classVar03`	父类、子类	父类、子类
子类（ClassLifeCycleTest03）	父类（classVar02）	`ClassLifeCycleTest03.classVar02`	父类、子类	父类
父类（ClassLifeCycleTest02）	父类（classVar02）	`ClassLifeCycleTest01.classVar02`	父类	父类

注：可以通过添加虚拟机参数 -XX:+TraceClassLoading 查看已经加载的类，再通过 Ctrl + f 来搜索某个类是否被加载

2.3、考虑常量的编译期优化

代码中所有对常量的引用，都会在编译后直接被替换为相应的字面量

在 Java 中什么是常量？

从字节码角度来看，含有 ConstantValue 信息的字段是常量

从 Java 代码角度来看，使用 static final 修饰，且右侧表达式中只包含字面量（1、1.0、"hello" 等）或常量

java 复制代码

// 常量：static final修饰，右侧只包含字面量
static final int NUM_1 = 100;
static final int NUM_2 = 200;

// 常量：static final修饰，右侧只包含常量
static final int SUM = NUM_1 + NUM_2;

// 字符串同理
static final String S_1 = "HELLO";
static final String S_2 = "WORLD";
static final String S_3 = S_1 + S_2;

// 不是常量，右侧出现new对象，这就是static final修饰的变量不一定是常量的原因。
// 其它类型的引用变量必定是new出来的对象，而String类型却有两种赋值方式
static final String S_4 = new String(S_1 + S_2);

Java 源代码

java 复制代码

/**
 * 常量的编译期优化
 * 
 * 可以通过反编译看出Demo.VAR被替换为字面量"Hello World"，因此不会触发 Demo 的加载和初始化
 */
public class ClassLifeCycleTest04 {

    static class Demo {
        private static final String VAR = "Hello World!";

        static {
            System.out.println("Demo clinit ...");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 在编译期便完成对常量的替换，所以不会加载 Demo.class，更不会初始化。
        // 注意这里 main方法并不是 Demo 类的方法
        System.out.println(Demo.VAR);
    }
}

反编译后的 Java 代码

java 复制代码

public class ClassLifeCycleTest04 {
    public ClassLifeCycleTest04() {
    }

    public static void main(String[] args) {
    	// 可以得出结论，在编译后的字节码文件中，Demo.VAR直接被替换为"Hello World"字面量
        System.out.println("Hello World!");
    }

    static class Demo {
        private static final String VAR = "Hello World!";

        Demo() {
        }

        static {
            System.out.println("Demo clinit ...");
        }
    }
}

2.4、验证类变量（static）在准备阶段（Preparation）设置默认值

思路：对类变量只进行声明，而不显式赋值。观察字节码中是否有 <clinit> 方法。

java 复制代码

public class ClassLifeCycleTest06 {
    static int num;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(num);
    }
}

2.5、使用 HSDB 工具来判断 static 变量的存储位置

（TODO：添加过程细节）

注意：inspect 找到的是 InstanceKlass 对象

3、补充

静态变量（static）的存放位置
- JDK 7 及之前：方法区（InstanceKlass）
- JDK 8 及之后：堆（java.lang.Class）

类加载子系统之类的生命周期（待完善）

0、前言

0.1、类加载子系统在 JVM 中的位置

0.2、与类的生命周期相关的虚拟机参数

1、类的生命周期

1.1、加载阶段（懒加载）

1.2、链接阶段

1.3、初始化阶段

1.4、使用阶段

1.5、卸载阶段

2、用于理解类生命周期的测试案例

2.1、不考虑父子类继承的情况

案例一：认识 <clinit> 和 <init>

案例二：强化理解 <clinit> 和 <init> 的生成逻辑

2.2、考虑父子类继承的情况

案例三：隐藏的 super() 就是调用父类的 <init> 方法

案例四：类的被动使用（调用父类的静态变量）

2.3、考虑常量的编译期优化

2.4、验证类变量（static）在准备阶段（Preparation）设置默认值

2.5、使用 HSDB 工具来判断 static 变量的存储位置

3、补充

案例一：认识 `<clinit>` 和 `<init>`

案例二：强化理解 `<clinit>` 和 `<init>` 的生成逻辑

案例三：隐藏的 `super()` 就是调用父类的 `<init>` 方法