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開(kāi)門(mén)見(jiàn)山

首先引入一道面試題

• 錯(cuò)誤答案：count1=1;count2=1
• 正確答案：count1=1;count2=0

為神馬?為神馬?這要從java的類加載時(shí)機(jī)說(shuō)起。

本來(lái)是準(zhǔn)備把分析結(jié)果寫(xiě)在最下面的但是怕大家沒(méi)有耐心看到最后我這邊先大概分析下，如果看不懂下面的分析。真心建議大家能看到最后，文章不算長(zhǎng)。

1. `Single single = Single.getInstance();`調(diào)用了類的`Single`調(diào)用了類的靜態(tài)方法，觸發(fā)類的初始化
2. 類加載的時(shí)候在準(zhǔn)備過(guò)程中為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存并初始化默認(rèn)值 `single=null count1=0,count2=0`
3. 類初始化化，為類的靜態(tài)變量賦值和執(zhí)行靜態(tài)代碼快。`single`賦值為`new Single()`調(diào)用類的構(gòu)造方法
4. 調(diào)用類的構(gòu)造方法后`count=1;count2=1`
5. 繼續(xù)為`count1`與`count2`賦值,此時(shí)`count1`沒(méi)有賦值操作,所有`count1`為1,但是`count2`執(zhí)行賦值操作就變?yōu)?

類的加載時(shí)機(jī)

類從被加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中開(kāi)始，直到卸載出內(nèi)存為止，它的整個(gè)生命周期包括了：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化、使用和卸載這7個(gè)階段。其中，驗(yàn)證、準(zhǔn)備和解析這三個(gè)部分統(tǒng)稱為連接(linking)。

其中加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、初始化和卸載五個(gè)步驟的順序都是確定的，解析階段在某些情況下有可能發(fā)生在初始化之后，這是為了支持 Java 語(yǔ)言的運(yùn)行期綁定的特性。

何時(shí)開(kāi)始類的初始化

1. 創(chuàng)建類的實(shí)例
2. 訪問(wèn)類的靜態(tài)變量(除常量【被final修辭的靜態(tài)變量】原因:常量一種特殊的變量，因?yàn)榫幾g器把他們當(dāng)作值(value)而不是域(field)來(lái)對(duì)待。如果你的代碼中用到了常變量(`constant variable`)，編譯器并不會(huì)生成字節(jié)碼來(lái)從對(duì)象中載入域的值，而是直接把這個(gè)值插入到字節(jié)碼中。這是一種很有用的優(yōu)化，但是如果你需要改變final域的值那么每一塊用到那個(gè)域的代碼都需要重新編譯。
3. 訪問(wèn)類的靜態(tài)方法
4. 反射如(`Class.forName("my.xyz.Test")`)
5. 當(dāng)初始化一個(gè)類時(shí)，發(fā)現(xiàn)其父類還未初始化，則先出發(fā)父類的初始化
6. 虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，定義了main()方法的那個(gè)類先初始化

• 主動(dòng)引用：上面這些種行為稱為對(duì)一個(gè)類的的主動(dòng)引用，會(huì)觸發(fā)類的初始化
• 被動(dòng)引用：除上面五種主動(dòng)引用之外，其他引用類的方式都不會(huì)觸發(fā)類的初始化，稱為類的被動(dòng)引用

接口的加載過(guò)程與類的加載過(guò)程稍有不同。接口中不能使用`static{}`塊。當(dāng)一個(gè)接口在初始化時(shí)，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有真正在使用到父接口時(shí)(例如引用接口中定義的常量)才會(huì)初始化。

被動(dòng)引用例子

示例一

對(duì)于靜態(tài)字段，只有直接定義這個(gè)字段的類會(huì)被初始化，如果是通過(guò)子類引用父類的字段，父類會(huì)被初始化，子類不一定會(huì)被初始化，子類會(huì)不會(huì)被初始化 JVM 虛擬機(jī)規(guī)范并沒(méi)有明確規(guī)定，取決于虛擬機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)

上面代碼運(yùn)行之后輸出結(jié)果如下所示

SuperClass init! 
The value is 24 

示例二

上面代碼運(yùn)行之后，并不會(huì)輸出 “SubClass init!“，因?yàn)樵谏厦鍰emo#main()方法中，并沒(méi)有初始化SubClass類，而是初始化了一個(gè)SubClass[]數(shù)組類，SubClass[]數(shù)組類代表了一個(gè)元素類型為SubClass的一維數(shù)組，繼承自O(shè)bject類，由newarray字節(jié)碼創(chuàng)建。

示例三

上面代碼運(yùn)行之后也并不會(huì)輸出”Constant init!“，因?yàn)檫@涉及到一個(gè)概念 —- “常量傳播優(yōu)化”。雖然在代碼中Demo類引用了Constant類中的常量VALUE，但是在編譯階段，會(huì)將VALUE的實(shí)際值”Hello World!“放到Demo類中的常量池中，Demo類每次使用”Hello World!“常量的時(shí)候都會(huì)從自己的常量池中去找。Demo類不會(huì)持有Constant類的符號(hào)引用，所以Constant類也并不會(huì)被初始化。

類的加載過(guò)程

加載

在加載階段有三個(gè)步驟：

1. 通過(guò)一個(gè)類的全限定名獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流
2. 將二進(jìn)制字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為方法區(qū)中的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
3. 在內(nèi)存中生成一個(gè)代表此類的`java.lang.Class`的對(duì)象，作為方法區(qū)這些數(shù)據(jù)的訪問(wèn)入口

在這個(gè)階段，有兩點(diǎn)需要注意：

1. 并沒(méi)有規(guī)定從哪里獲取二進(jìn)制字節(jié)流。我們可以從`.class`靜態(tài)存儲(chǔ)文件中獲取，也可以從`zip、jar`等包中讀取，可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取，也可以從網(wǎng)絡(luò)中獲取，甚至我們自己可以在運(yùn)行時(shí)自動(dòng)生成。
2. 在內(nèi)存中實(shí)例化一個(gè)代表此類的`java.lang.Class`對(duì)象之后，并沒(méi)有規(guī)定此`Class`對(duì)象是方法`Java`堆中的，有些虛擬機(jī)就會(huì)將`Class`對(duì)象放到方法區(qū)中，比如`HotSpot`。

驗(yàn)證

驗(yàn)證是連接階段的第一個(gè)步驟，驗(yàn)證的目的是為了確保`.class`文件中的字節(jié)流所包含的信息是符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并且不會(huì)危害到虛擬機(jī)自身的安全的。

`Java`語(yǔ)言本身是相對(duì)安全的語(yǔ)言，使用Java編碼是無(wú)法做到如訪問(wèn)數(shù)組邊界以外的數(shù)據(jù)、將一個(gè)對(duì)象轉(zhuǎn)型為它并未實(shí)現(xiàn)的類型等，如果這樣做了，編譯器將拒絕編譯。但是，`Class`文件并不一定是由`Java`源碼編譯而來(lái)，可以使用任何途徑，包括用十六進(jìn)制編輯器(如`UltraEdit`)直接編寫(xiě)。如果直接編寫(xiě)了有害的“代碼”(字節(jié)流)，而虛擬機(jī)在加載該Class時(shí)不進(jìn)行檢查的話，就有可能危害到虛擬機(jī)或程序的安全。

1. 不同的虛擬機(jī)，對(duì)類驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)可能有所不同，但大致都會(huì)完成下面四個(gè)階段的驗(yàn)證：文件格式驗(yàn)證、元數(shù)據(jù)驗(yàn)證、字節(jié)碼驗(yàn)證和符號(hào)引用驗(yàn)證。文件格式驗(yàn)證，是要驗(yàn)證字節(jié)流是否符合Class文件格式的規(guī)范，并且能被當(dāng)前版本的虛擬機(jī)處理。如驗(yàn)證魔數(shù)是否0xCAFEBABE;主、次版本號(hào)是否正在當(dāng)前虛擬機(jī)處理范圍之內(nèi);常量池的常量中是否有不被支持的常量類型……該驗(yàn)證階段的主要目的是保證輸入的字節(jié)流能正確地解析并存儲(chǔ)于方法區(qū)中，經(jīng)過(guò)這個(gè)階段的驗(yàn)證后，字節(jié)流才會(huì)進(jìn)入內(nèi)存的方法區(qū)中存儲(chǔ)，所以后面的三個(gè)驗(yàn)證階段都是基于方法區(qū)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的。
2. 元數(shù)據(jù)驗(yàn)證，是對(duì)字節(jié)碼描述的信息進(jìn)行語(yǔ)義分析，以保證其描述的信息符合Java語(yǔ)言規(guī)范的要求。可能包括的驗(yàn)證如：這個(gè)類是否有父類;這個(gè)類的父類是否繼承了不允許被繼承的類;如果這個(gè)類不是抽象類，是否實(shí)現(xiàn)了其父類或接口中要求實(shí)現(xiàn)的所有方法……
3. 字節(jié)碼驗(yàn)證，主要工作是進(jìn)行數(shù)據(jù)流和控制流分析，保證被校驗(yàn)類的方法在運(yùn)行時(shí)不會(huì)做出危害虛擬機(jī)安全的行為。如果一個(gè)類方法體的字節(jié)碼沒(méi)有通過(guò)字節(jié)碼驗(yàn)證，那肯定是有問(wèn)題的;但如果一個(gè)方法體通過(guò)了字節(jié)碼驗(yàn)證，也不能說(shuō)明其一定就是安全的。
4. 符號(hào)引用驗(yàn)證，發(fā)生在虛擬機(jī)將符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用的時(shí)候，這個(gè)轉(zhuǎn)化動(dòng)作將在“解析階段”中發(fā)生。驗(yàn)證符號(hào)引用中通過(guò)字符串描述的權(quán)限定名是否能找到對(duì)應(yīng)的類;在指定類中是否存在符合方法字段的描述符及簡(jiǎn)單名稱所描述的方法和字段;符號(hào)引用中的類、字段和方法的訪問(wèn)性(`private、protected、public、default`)是否可被當(dāng)前類訪問(wèn)

驗(yàn)證階段對(duì)于虛擬機(jī)的類加載機(jī)制來(lái)說(shuō)，不一定是必要的階段。如果所運(yùn)行的全部代碼確認(rèn)是安全的，可以使用`-Xverify：none`參數(shù)來(lái)關(guān)閉大部分的類驗(yàn)證措施，以縮短虛擬機(jī)類加載時(shí)間。

準(zhǔn)備

準(zhǔn)備階段是為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存并將其初始化為默認(rèn)值，這些內(nèi)存都將在方法區(qū)中進(jìn)行分配。準(zhǔn)備階段不分配類中的實(shí)例變量的內(nèi)存，實(shí)例變量將會(huì)在對(duì)象實(shí)例化時(shí)隨著對(duì)象一起分配在Java堆中。

有幾點(diǎn)需要注意：

1.在方法區(qū)中分配內(nèi)存的只有類變量(被`static`修飾的變量)，而不包括實(shí)例變量，實(shí)例變量將會(huì)跟隨著對(duì)象在 Java 堆中為其分配內(nèi)存

2.初始化類變量的時(shí)候，是將類變量初始化為其類型對(duì)應(yīng)的`0`值，比如有如下類變量，在準(zhǔn)備階段完成之后`val`的值是`0`而不是 `123`，為 `val`復(fù)制為`123`，是在后面要講的初始化階段之后

//在準(zhǔn)備階段value初始值為0 。在初始化階段才會(huì)變?yōu)?23 。 
public static int val=123; 

3. 對(duì)于常量，其對(duì)應(yīng)的值會(huì)在編譯階段就存儲(chǔ)在字段表的`ConstantValue`屬性當(dāng)中，所以在準(zhǔn)備階段結(jié)束之后，常量的值就是`ConstantValue`所指定的值了，比如如下，在準(zhǔn)備階段結(jié)束之后，`val`的值就是`123`了。

public static final int val = 123; 

解析

解析階段是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號(hào)引用替換為直接引用的過(guò)程。

符號(hào)引用(Symbolic Reference)：符號(hào)引用以一組符號(hào)來(lái)描述所引用的目標(biāo)，符號(hào)可以是任何形式的字面量，只要使用時(shí)能無(wú)歧義地定位到目標(biāo)即可。符號(hào)引用與虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存布局無(wú)關(guān)，引用的目標(biāo)并不一定已經(jīng)加載到內(nèi)存中。

直接引用(Direct Reference)：直接引用可以是直接指向目標(biāo)的指針、相對(duì)偏移量或是一個(gè)能間接定位到目標(biāo)的句柄。直接引用是與虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存布局相關(guān)的，如果有了直接引用，那么引用的目標(biāo)必定已經(jīng)在內(nèi)存中存在。

初始化

類的初始化階段才是真正開(kāi)始執(zhí)行類中定義的 Java 程序代碼。初始化說(shuō)白了就是調(diào)用類構(gòu)造器`()`的過(guò)程，在類的構(gòu)造器中會(huì)為類變量初始化定義的值，會(huì)執(zhí)行靜態(tài)代碼塊中的內(nèi)容。下面將介紹幾點(diǎn)和開(kāi)發(fā)者關(guān)系較為緊密的注意點(diǎn)

1. 類構(gòu)造器`()`是由編譯器自動(dòng)收集類中出現(xiàn)的類變量、靜態(tài)代碼塊中的語(yǔ)句合并產(chǎn)生的，收集的順序是在源文件中出現(xiàn)的順序決定的，靜態(tài)代碼塊可以訪問(wèn)出現(xiàn)在靜態(tài)代碼塊之前的類變量，出現(xiàn)的靜態(tài)代碼塊之后的類變量，只可以賦值，但是不能訪問(wèn)，比如如下代碼

2. `()`類構(gòu)造器和`()`實(shí)例構(gòu)造器不同，類構(gòu)造器不需要顯示的父類的類構(gòu)造，在子類的類構(gòu)造器調(diào)用之前，會(huì)自動(dòng)的調(diào)用父類的類構(gòu)造器。因此虛擬機(jī)中第一個(gè)被調(diào)用的`()`方法是 `java.lang.Object`的類構(gòu)造器

3. 由于父類的類構(gòu)造器優(yōu)先于子類的類構(gòu)造器執(zhí)行，所以父類中的`static{}`代碼塊也優(yōu)先于子類的`static{}`執(zhí)行

4. 類構(gòu)造器`()`對(duì)于類來(lái)說(shuō)并不是必需的，如果一個(gè)類中沒(méi)有類變量，也沒(méi)有`static{}`，那這個(gè)類不會(huì)有類構(gòu)造器`()`

5. 接口中不能有`static{}`，但是接口中也可以有類變量，所以接口中也可以有類構(gòu)造器 `{}`，但是接口的類構(gòu)造器和類的類構(gòu)造器有所不同，接口在調(diào)用類構(gòu)造器的時(shí)候，如果不需要，不用調(diào)用父接口的類構(gòu)造器，除非用到了父接口中的類變量，接口的實(shí)現(xiàn)類在初始化的時(shí)候也不會(huì)調(diào)用接口的類構(gòu)造器

6. 虛擬機(jī)會(huì)保證一個(gè)類的`()`方法在多線程環(huán)境中被正確地加鎖、同步，如果多個(gè)線程同時(shí)去初始化一個(gè)類，那么只有一個(gè)線程去執(zhí)行這個(gè)類的類構(gòu)造器`()`，其他線程會(huì)被阻塞，直到活動(dòng)線程執(zhí)行完類構(gòu)造器`()`方法