在Java中数据类型分为基本数据类型和引用数据类型。*基本数据类型由虚拟机预先定义,引用数据类型则需要进行类的加载。

概述

在Java中数据类型分为基本数据类型和引用数据类型。*基本数据类型由虚拟机预先定义,引用数据类型则需要进行类的加载。

按照java虚拟机规范,从class文件到加载到内存中的类,到类卸载出内存为止,它的整个生命周期包括如下7个阶段:

java各种对象的生命周期(一文带你了解JavaClass的生命周期)(1)

其中,验证、准备、解析3个部分统称为链接(Linking)

从程序中类的使用过程看

java各种对象的生命周期(一文带你了解JavaClass的生命周期)(2)

过程一:Loading(加载)阶段加载完成的操作

加载的理解

所谓类模板对象,其实就是Java类在]VM内存中的一个快照,JVM将从字节码文件中解析出的常量池、类字段、类方法等信息存储到类模板中,这样]VM在运行期便能通过类模板而获取Java类中的任意信息,能够对Java类的成员变量进行遍历,也能进行Java方法的调用。

反射的机制即基于这一基础。如果JVM没有将Java类的声明信息存储起来,则JVM在运行期也无法反射。

加载完成的操作

在加载类时,Java虚拟机必须完成以下3件事情:

  • 通过类的全名,获取类的二进制数据流。
  • 解析类的二进制数据流为方法区内的数据结构(Java类模型)
  • 创建java.lang.Class类的实例,表示该类型。作为方法区这个类的各种数据的访问入口
二进制流的获取方式

对于类的二进制数据流,虚拟机可以通过多种途径产生或获得。(只要所读取的字节码符合JVM规范即可)

  • 虚拟机可能通过文件系统读入一个class后缀的文件
  • 读入jar、zip等归档数据包,提取类文件。
  • 事先存放在数据库中的类的二进制数据
  • 使用类似于HTTP之类的协议通过网络进行加载
  • 在运行时生成一段class的二进制信息等 在获取到类的二进制信息后,Java虚拟机就会处理这些数据,并最终转为一个java.lang.Class的实例。如果输入数据不是ClassFile的结构,则会抛出ClassFormatError。
类模型与Class实例的位置

类模型的位置

加载的类在JVM中创建相应的类结构,类结构会存储在方法区(JDKl.8之前:永久代;JDKl.8及之后:元空间)。

Class实例的位置

类将.class文件加载至元空间后,会在堆中创建一个Java.lang.Class对象,用来封装类位于方法区内的数据结构,该Class对象是在加载类的过程中创建的,每个类都对应有一个Class类型的对象。

java各种对象的生命周期(一文带你了解JavaClass的生命周期)(3)

Class clazz = Class.forName("java.lang.String"); //获取当前运行时类声明的所有方法 Method[] ms = clazz.getDeclaredMethods(); for (Method m : ms) { //获取方法的修饰符 String mod = Modifier.toString(m.getModifiers()); System.out.print(mod ""); //获取方法的返回值类型 String returnType = (m.getReturnType()).getSimpleName(); System.out.print(returnType ""); //获取方法名 System.out.print(m.getName() "("); //获取方法的参数列表 Class<?>[] ps = m.getParameterTypes(); if (ps.length == 0) { System.out.print(')'); } for (int i = 0; i < ps.length; i ) { char end = (i == ps.length - 1) ? ')' : ','; //获取参教的类型 System.out.print(ps[i].getSimpleName() end); } }

数组类的加载

创建数组类的情况稍微有些特殊,因为数组类本身并不是由类加载器负责创建,而是由JVM在运行时根据需要而直接创建的,但数组的元素类型仍然需要依靠类加载器去创建。创建数组类(下述简称A)的过程:

  • 如果数组的元素类型是引用类型,那么就遵循定义的加载过程递归加载和创建数组A的元素类型;
  • JVM使用指定的元素类型和数组维度来创建新的数组类。

如果数组的元素类型是引用类型,数组类的可访问性就由元素类型的可访问性决定。否则数组类的可访问性将被缺省定义为public。

过程二:Linking(链接)阶段环节1:链接阶段之Verification(验证)

当类加载到系统后,就开始链接操作,验证是链接操作的第一步。

验证的步骤比较复杂,实际要验证的项目也很繁多,大体上Java虚拟机需要做以下检查,如图所示。

java各种对象的生命周期(一文带你了解JavaClass的生命周期)(4)

整体说明:

验证的内容则涵盖了类数据信息的格式验证、语义检查、字节码验证,以及符号引用验证等。

  • 其中格式验证会和加载阶段一起执行。验证通过之后,类加载器才会成功将类的二进制数据信息加载到方法区中。
  • 格式验证之外的验证操作将会在方法区中进行。

链接阶段的验证虽然拖慢了加载速度,但是它避免了在字节码运行时还需要进行各种检查。(磨刀不误砍柴工)

具体说明:

  1. 格式验证:是否以魔数0XCAFEBABE开头,主版本和副版本号是否在当前Java虚拟机的支持范围内,数据中每一个项是否都拥有正确的长度等。
  2. 语义检查:Java虚拟机会进行字节码的语义检查,但凡在语义上不符合规范的,虚拟机也不会给予验证通过。比如:
    • 是否所有的类都有父类的存在(在Java里,除了object外,其他类都应该有父类)
    • 是否一些被定义为final的方法或者类被重写或继承了
    • 非抽象类是否实现了所有抽象方法或者接口方法

3.字节码验证:Java虚拟机还会进行字节码验证,字节码验证也是验证过程中最为复杂的一个过程。它试图通过对字节码流的分析,判断字节码是否可以被正确地执行。比如:

    • 在字节码的执行过程中,是否会跳转到一条不存在的指令
    • 函数的调用是否传递了正确类型的参数
    • 变量的赋值是不是给了正确的数据类型等

栈映射帧(StackMapTable)就是在这个阶段,用于检测在特定的字节码处,其局部变量表和操作数栈是否有着正确的数据类型。但遗憾的是,100%准确地判断一段字节码是否可以被安全执行是无法实现的,因此,该过程只是尽可能地检查出可以预知的明显的问题。如果在这个阶段无法通过检查,虚拟机也不会正确装载这个类。但是,如果通过了这个阶段的检查,也不能说明这个类是完全没有问题的。在前面3次检查中,已经排除了文件格式错误、语义错误以及字节码的不正确性。但是依然不能确保类是没有问题的。

4.符号引用的验证:校验器还将进符号引用的验证。Class文件在其常量池会通过字符串记录自己将要使用的其他类或者方法。因此,在验证阶段,虚拟机就会检查这些类或者方法确实是存在的,并且当前类有权限访问这些数据,如果一个需要使用类无法在系统中找到,则会抛出NoClassDefFoundError,如果一个方法无法被找到,则会抛出NoSuchMethodError。此阶段在解析环节才会执行。

环节2:链接阶段之Preparation(准备)

当一个类验证通过时,虚拟机就会进入准备阶段。在这个阶段,虚拟机就会为这个类分配相应的内存空间,并设置默认初始值。Java虚拟机为各类型变量默认的初始值如表所示。

类型

默认初始值

byte

(byte)0

short

(short)0

int

0

long

0L

float

0.0f

double

0.0

char

\u0000

boolean

false

reference

null

Java并不支持boolean类型,对于boolean类型,内部实现是int,由于int的默认值是0,故对应的,boolean的默认值就是false。

注意

这里不包含基本数据类型的字段用static final修饰的情况,因为final在编译的时候就会分配了,准备阶段会显式赋值。

// 一般情况:static final修饰的基本数据类型、字符串类型字面量会在准备阶段赋值 private static final String str = "Hello world"; // 特殊情况:static final修饰的引用类型不会在准备阶段赋值,而是在初始化阶段赋值 private static final String str = new String("Hello world");

  • 注意这里不会为实例变量分配初始化,类变量会分配在方法区中,而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。
  • 在这个阶段并不会像初始化阶段中那样会有初始化或者代码被执行。
环节3:链接阶段之Resolution(解析)

在准备阶段完成后,就进入了解析阶段。解析阶段(Resolution),简言之,将类、接口、字段和方法的符号引用转为直接引用。

具体描述

符号引用就是一些字面量的引用,和虚拟机的内部数据结构和和内存布局无关。比较容易理解的就是在Class类文件中,通过常量池进行了大量的符号引用。但是在程序实际运行时,只有符号引用是不够的,比如当如下println()方法被调用时,系统需要明确知道该方法的位置。

举例

输出操作System.out.println()对应的字节码:

invokevirtual #24 <java/io/PrintStream.println>

java各种对象的生命周期(一文带你了解JavaClass的生命周期)(5)

以方法为例,Java虚拟机为每个类都准备了一张方法表,将其所有的方法都列在表中,当需要调用一个类的方法的时候,只要知道这个方法在方法表中的偏移量就可以直接调用该方法。

过程三:Initialization(初始化)阶段static与final的搭配问题

说明:使用static final修饰的字段的显式赋值的操作,到底是在哪个阶段进行的赋值?

  • 情况1:在链接阶段的准备环节赋值
  • 情况2:在初始化阶段<clinit>()中赋值

结论: 在链接阶段的准备环节赋值的情况:

  • 对于基本数据类型的字段来说,如果使用static final修饰,则显式赋值(直接赋值常量,而非调用方法通常是在链接阶段的准备环节进行 )
  • 对于String来说,如果使用字面量的方式赋值,使用static final修饰的话,则显式赋值通常是在链接阶段的准备环节进行
  • 在初始化阶段<clinit>()中赋值的情况: 排除上述的在准备环节赋值的情况之外的情况。

最终结论:使用static final修饰,且显式赋值中不涉及到方法或构造器调用的基本数据类到或String类型的显式赋值,是在链接阶段的准备环节进行。

public static final int INT_CONSTANT = 10; // 在链接阶段的准备环节赋值 public static final int NUM1 = new Random().nextInt(10); // 在初始化阶段clinit>()中赋值 public static int a = 1; // 在初始化阶段<clinit>()中赋值 public static final Integer INTEGER_CONSTANT1 = Integer.valueOf(100); // 在初始化阶段<clinit>()中赋值 public static Integer INTEGER_CONSTANT2 = Integer.valueOf(100); // 在初始化阶段<clinit>()中概值 public static final String s0 = "helloworld0"; // 在链接阶段的准备环节赋值 public static final String s1 = new String("helloworld1"); // 在初始化阶段<clinit>()中赋值 public static String s2 = "hellowrold2"; // 在初始化阶段<clinit>()中赋值

<clinit>()的线程安全性

对于<clinit>()方法的调用,也就是类的初始化,虚拟机会在内部确保其多线程环境中的安全性。

虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步,如果多个线程同时去初始化一个类,那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法,其他线程都需要阻塞等待,直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。

正是因为函数<clinit>()带锁线程安全的,因此,如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作,就可能造成多个线程阻塞,引发死锁。并且这种死锁是很难发现的,因为看起来它们并没有可用的锁信息。

如果之前的线程成功加载了类,则等在队列中的线程就没有机会再执行<clinit>()方法了。那么,当需要使用这个类时,虚拟机会直接返回给它已经准备好的信息。

类的初始化情况:主动使用vs被动使用

Java程序对类的使用分为两种:主动使用和被动使用。

主动使用

Class只有在必须要首次使用的时候才会被装载,Java虚拟机不会无条件地装载Class类型。Java虚拟机规定,一个类或接口在初次使用前,必须要进行初始化。这里指的“使用”,是指主动使用,主动使用只有下列几种情况:(即:如果出现如下的情况,则会对类进行初始化操作。而初始化操作之前的加载、验证、准备已经完成。)

  1. 实例化:当创建一个类的实例时,比如使用new关键字,或者通过反射、克隆、反序列化。

/** * 反序列化 */ Class Order implements Serializable { static { System.out.println("Order类的初始化"); } } public void test() { ObjectOutputStream oos = null; ObjectInputStream ois = null; try { // 序列化 oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("order.dat")); oos.writeObject(new Order()); // 反序列化 ois = new ObjectInputStream(new FileOutputStream("order.dat")); Order order = ois.readObject(); } catch (IOException e){ e.printStackTrace(); } catch (ClassNotFoundException e){ e.printStackTrace(); } finally { try { if (oos != null) { oos.close(); } if (ois != null) { ois.close(); } } catch (IOException e){ e.printStackTrace(); } } }

  1. 静态方法:当调用类的静态方法时,即当使用了字节码invokestatic指令。
  2. 静态字段:当使用类、接口的静态字段时(final修饰特殊考虑),比如,使用getstatic或者putstatic指令。(对应访问变量、赋值变量操作)

public class ActiveUse { @Test public void test() { System.out.println(User.num); } } class User { static { System.out.println("User类的初始化"); } public static final int num = 1; }

  1. 反射:当使用java.lang.reflect包中的方法反射类的方法时。比如:Class.forName("com.atguigu.java.Test")
  2. 继承:当初始化子类时,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Java虚拟机初始化一个类时,要求它的所有父类都已经被初始化,但是这条规则并不适用于接口。

  • 在初始化一个类时,并不会先初始化它所实现的接口
  • 在初始化一个接口时,并不会先初始化它的父接口
  • 因此,一个父接口并不会因为它的子接口或者实现类的初始化而初始化。只有当程序首次使用特定接口的静态字段时,才会导致该接口的初始化。
  1. default方法:如果一个接口定义了default方法,那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化,该接口要在其之前被初始化。

interface Compare { public static final Thread t = new Thread() { { System.out.println("Compare接口的初始化"); } } }

  1. main方法: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。

VM启动的时候通过引导类加载器加载一个初始类。这个类在调用public static void main(String[])方法之前被链接和初始化。这个方法的执行将依次导致所需的类的加载,链接和初始化。

  1. MethodHandle:当初次调用MethodHandle实例时,初始化该MethodHandle指向的方法所在的类。(涉及解析REF getStatic、REF_putStatic、REF invokeStatic方法句柄对应的类)

被动使用

除了以上的情况属于主动使用,其他的情况均属于被动使用。被动使用不会引起类的初始化。

也就是说:并不是在代码中出现的类,就一定会被加载或者初始化。如果不符合主动使用的条件,类就不会初始化。

  1. 静态字段:当通过子类引用父类的静态变量,不会导致子类初始化,只有真正声明这个字段的类才会被初始化。

public class PassiveUse { @Test public void test() { System.out.println(Child.num); } } class Child extends Parent { static { System.out.println("Child类的初始化"); } } class Parent { static { System.out.println("Parent类的初始化"); } public static int num = 1; }

  1. 数组定义:通过数组定义类引用,不会触发此类的初始化

Parent[] parents= new Parent[10]; System.out.println(parents.getClass()); // new的话才会初始化 parents[0] = new Parent();

  1. 引用常量:引用常量不会触发此类或接口的初始化。因为常量在链接阶段就已经被显式赋值了。

public class PassiveUse { public static void main(String[] args) { System.out.println(Serival.num); // 但引用其他类的话还是会初始化 System.out.println(Serival.num2); } } interface Serival { public static final Thread t = new Thread() { { System.out.println("Serival初始化"); } }; public static int num = 10; public static final int num2 = new Random().nextInt(10); }

  1. loadClass方法:调用ClassLoader类的loadClass()方法加载一个类,并不是对类的主动使用,不会导致类的初始化。

Class clazz = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("com.test.java.Person");

扩展

-XX: TraceClassLoading:追踪打印类的加载信息

过程四:类的Using(使用)

任何一个类型在使用之前都必须经历过完整的加载、链接和初始化3个类加载步骤。一旦一个类型成功经历过这3个步骤之后,便“厉事俱备只欠东风”,就等着开发者使用了。

开发人员可以在程序中访问和调用它的静态类成员信息(比如:静态字段、静态方法),或者使用new关键字为其创建对象实例。

过程五:类的Unloading(卸载)类、类的加载器、类的实例之间的引用关系

在类加载器的内部实现中,用一个Java集合来存放所加载类的引用。另一方面,一个Class对象总是会引用它的类加载器,调用Class对象的getClassLoader()方法,就能获得它的类加载器。由此可见,代表某个类的Class实例与其类的加载器之间为双向关联关系。

一个类的实例总是引用代表这个类的Class对象。在Object类中定义了getClass()方法,这个方法返回代表对象所属类的Class对象的引用。此外,所有的java类都有一个静态属性class,它引用代表这个类的Class对象。

类的生命周期

当Sample类被加载、链接和初始化后,它的生命周期就开始了。当代表Sample类的Class对象不再被引用,即不可触及时,Class对象就会结束生命周期,Sample类在方法区内的数据也会被卸载,从而结束Sample类的生命周期。

一个类何时结束生命周期,取决于代表它的Class对象何时结束生命周期。

具体例子

java各种对象的生命周期(一文带你了解JavaClass的生命周期)(6)

loader1变量和obj变量间接应用代表Sample类的Class对象,而objClass变量则直接引用它。

如果程序运行过程中,将上图左侧三个引用变量都置为null,此时Sample对象结束生命周期,MyClassLoader对象结束生命周期,代表Sample类的Class对象也结束生命周期,Sample类在方法区内的二进制数据被卸载。

当再次有需要时,会检查Sample类的Class对象是否存在,如果存在会直接使用,不再重新加载;如果不存在Sample类会被重新加载,在Java虚拟机的堆区会生成一个新的代表Sample类的Class实例(可以通过哈希码查看是否是同一个实例)

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