1. 内容大纲

本章节示例代码：https://github.com/wicksonZhang/Java-Virtual-Machine/tree/main/01-chapter/src/main/java/cn/wickson/jvm/item03

03-类的生命周期

2. JVM-类的生命周期

在 JVM 中类的生命周期主要分为 加载、连接、初始化、使用和卸载 这五个部分，这五个部分具体内容如下：

  • 加载阶段：主要将类字节码文件加载进 JVM 中。
  • 连接阶段：这个部分主要包括验证、准备和解析。
  • 初始化阶段：JVM 执行类的初始化代码，这些代码通常包括 静态变量赋值 和 静态代码块。
  • 使用：类加载完成并经过初始化后，就可以被应用程序使用。
  • 卸载：当类加载器不再需要某个类时，会触发类卸载过程。

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3. JVM-类的加载阶段

在类加载阶段主要做的工作是将类的字节码数据加载到 JVM 中，具体内容如下：

  • 查找对应加载类的字节码文件：类加载器负责根据类的全限定名去文件系统、网络等地方查找对应的字节码文件

  • 类加载器加载完成之后，会分配内存空间给字节码文件

  • 字节码文件的信息会保存到方法区中：类加载器加载类后，会将类的元数据信息存储到方法区中，包括类的结构信息、字段信息、方法信息等。

    image-20240320221457096

  • JVM 在堆中会创建一个与方法区中的类元数据相对应的 java.lang.Class 对象：这个类会包含运行时状态、方法的字节码等。这个对象是 Java 反射机制的基础.

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4. JVM-类的连接阶段

JVM 连接阶段主要分为了三个部分，分别是 验证、准备、解析，具体内容如下：

  • 验证：这个阶段主要判断字节码文件是否满足 JVM 规范，例如文件格式验证、元数据验证等等
  • 准备：这个阶段主要是给类的静态变量分配内存空间并设置初始值，例如数值类型的默认值为 0 ，引用类型的默认值为 null。
  • 解析：这个阶段主要是将符号引用转化为直接引用的过程，例如将类、方法和字段的符号引用转化为内存地址或偏移量。

4.1. 验证

验证阶段是确保加载的字节码文件符合 JVM 规范的过程：

  • 文件格式校验，是否是以 0XCAFEBABE 开头

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  • 元信息验证，例如所有的类必须有父类

    image-20240320225510481

  • 程序指令校验，例如方法内的指令执行到一般强制跳到其他方法中

  • 符号引用验证，例如是否访问了其他类的 private 方法

    符号引用和直接引用：https://blog.csdn.net/weixin_42447959/article/details/81675512

4.2. 准备

准备阶段是为类的静态变量分配内存空间并设置初始值的过程，例如每一种数据类型都有对应的默认值。

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4.3. 解析

解析阶段是将类的符号引用转化为直接引用的过程。

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5. JVM-类的初始化阶段

初始化阶段是执行类的初始化代码（静态变量赋值和静态代码块）的过程。

  • 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，执行顺序与代码顺序一致。

如下是代码中通过 jclasslib 编译的一段代码，具体信息如下：

  • [0] : 构造方法
  • [1] main：Main 方法
  • [2] ：初始化阶段执行

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字节码位置 指令 注释
0 iconst_1 将 int 型常量值 1 推送至栈顶
1 putstatic #2 将栈顶 int 型数值存入指定类的静态域
4 iconst_2 将 int 型常量值 2 推送至栈顶
5 putstatic #2 将栈顶 int 型数值存入指定类的静态域
8 return 从当前方法返回 void

5.1. 类的初始化

如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。
  2. 调用 Class.forName(String className)。
  3. new 一个该类的对象。
  4. 执行 main() 的当前类

如下面试题信息，包含了上诉的这种情况

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public class Demo02 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.print("A");
        new Demo02();
        new Demo02();
    }

    public Demo02() {
        System.out.print("B");
    }

    {
        System.out.print("C");
    }

    static {
        System.out.print("D");
    }
}
  • 打印的结果信息如下
1
DACBCB

5.2. 注意事项

在某些特定情况下并不会导致初始化指令的执行，具体内容如下：

  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。
  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。

如下面试题信息，包含了上诉的这种情况

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public class Demo03 {

    public static void main(String[] args) {
        new B02();
        System.out.println("B02.a = " + B02.a); // 2
    }

}

class A02 {
    static int a = 0;

    static {
        a = 1;
    }
}

class B02 extends A02 {
    static {
        a = 2;
    }
}

我们修改如下内容

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public class Demo03 {

    public static void main(String[] args) {
        // new B02();
        System.out.println("B02.a = " + B02.a); // 1
    }

}

class A02 {
    static int a;

    static {
        a = 1;
    }
}

class B02 extends A02 {
    
    // 无静态变量赋值语句
    
    static {
        a = 2;
    }
}

6. 练习题

提示内容如下：

  • 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。
  • 访问一个类的静态变量或者静态方法会导致类的初始化。
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public class Demo04 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Demo04_A.a);
    }

}

class Demo04_A {
    
    public static final int a = Integer.valueOf(1);

    static {
        System.out.println("init Demo04_A ");
    }
    
}