摘要：當(dāng)你在程序中對(duì)象時(shí)，有沒有考慮過是如何把靜態(tài)的字節(jié)碼轉(zhuǎn)化為運(yùn)行時(shí)對(duì)象的呢，這個(gè)問題看似簡(jiǎn)單，但清楚的同學(xué)相信也不會(huì)太多，這篇文章首先介紹類初始化的機(jī)制，然后給出幾個(gè)易出錯(cuò)的實(shí)例來(lái)分析，幫助大家更好理解這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

當(dāng)你在 Java 程序中new對(duì)象時(shí)，有沒有考慮過 JVM 是如何把靜態(tài)的字節(jié)碼（byte code）轉(zhuǎn)化為運(yùn)行時(shí)對(duì)象的呢，這個(gè)問題看似簡(jiǎn)單，但清楚的同學(xué)相信也不會(huì)太多，這篇文章首先介紹 JVM 類初始化的機(jī)制，然后給出幾個(gè)易出錯(cuò)的實(shí)例來(lái)分析，幫助大家更好理解這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

JVM 將字節(jié)碼轉(zhuǎn)化為運(yùn)行時(shí)對(duì)象分為三個(gè)階段，分別是：loading 、Linking、initialization。

下面分別介紹這三個(gè)過程：

Loading 過程主要工作是由ClassLoader完成。該過程具體包括三件事：

根據(jù)類的全名，生成一份二進(jìn)制字節(jié)碼來(lái)表示該類

將二進(jìn)制的字節(jié)碼解析成方法區(qū)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

最后生成一 Class 對(duì)象的實(shí)例來(lái)表示該類

JVM 中除了最頂層的Boostrap ClassLoader是用 C/C++ 實(shí)現(xiàn)外，其余類加載器均由 Java 實(shí)現(xiàn)，我們可以用getClassLoader方法來(lái)獲取當(dāng)前類的類加載器：

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

# sun.misc.Launcher$AppClassLoader@30a4effe
# AppClassLoader 也就是上圖中的 System Class Loader

此外，我們?cè)趩?dòng)java傳入-verbose:class來(lái)查看加載的類有那些。

java -verbose:class ClassLoaderDemo

[Opened /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.lang.Object from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.io.Serializable from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.lang.Comparable from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.lang.CharSequence from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]

....
....

[Loaded java.security.BasicPermissionCollection from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded ClassLoaderDemo from file:/Users/liujiacai/codes/IdeaProjects/mysql-test/target/classes/]
[Loaded sun.launcher.LauncherHelper$FXHelper from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.lang.Class$MethodArray from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.lang.Void from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@2a139a55
[Loaded java.lang.Shutdown from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
[Loaded java.lang.Shutdown$Lock from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_112.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]

Verification 主要是保證類符合 Java 語(yǔ)法規(guī)范，確保不會(huì)影響 JVM 的運(yùn)行。包括但不限于以下事項(xiàng)：

bytecode 的完整性（integrity）

檢查final類沒有被繼承，final方法沒有被覆蓋

確保沒有不兼容的方法簽名

在一個(gè)類已經(jīng)被load并且通過verification后，就進(jìn)入到preparation階段。在這個(gè)階段，JVM 會(huì)為類的成員變量分配內(nèi)存空間并且賦予默認(rèn)初始值，需要注意的是這個(gè)階段不會(huì)執(zhí)行任何代碼，而只是根據(jù)變量類型決定初始值。如果不進(jìn)行默認(rèn)初始化，分配的空間的值是隨機(jī)的，有點(diǎn)類型c語(yǔ)言中的野指針問題。

Type    Initial Value
int    0
long    0L
short    (short) 0
char    "u0000"
byte    (byte) 0
boolean    false
reference    null
float    0.0f
double    0.0d

在這個(gè)階段，JVM 也可能會(huì)為有助于提高程序性能的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配內(nèi)存，常見的一個(gè)稱為method table的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包含了指向所有類方法（也包括也從父類繼承的方法）的指針，這樣再調(diào)用父類方法時(shí)就不用再去搜索了。

Resolution 階段主要工作是確認(rèn)類、接口、屬性和方法在類run-time constant pool的位置，并且把這些符號(hào)引用（symbolic references）替換為直接引用（direct references）。

locating classes, interfaces, fields, and methods referenced symbolically from a type"s constant pool, and replacing those symbolic references with direct references.

這個(gè)過程不是必須的，也可以發(fā)生在第一次使用某個(gè)符號(hào)引用時(shí)。

經(jīng)過了上面的load、link后，第一次 主動(dòng)調(diào)用某類的最后一步是Initialization，這個(gè)過程會(huì)去按照代碼書寫順序進(jìn)行初始化，這個(gè)階段會(huì)去真正執(zhí)行代碼，注意包括：代碼塊（static與static）、構(gòu)造函數(shù)、變量顯式賦值。如果一個(gè)類有父類，會(huì)先去執(zhí)行父類的initialization階段，然后在執(zhí)行自己的。

上面這段話有兩個(gè)關(guān)鍵詞：第一次與主動(dòng)調(diào)用。第一次是說(shuō)只在第一次時(shí)才會(huì)有初始化過程，以后就不需要了，可以理解為每個(gè)類有且僅有一次初始化的機(jī)會(huì)。那么什么是主動(dòng)調(diào)用呢？
JVM 規(guī)定了以下六種情況為主動(dòng)調(diào)用，其余的皆為被動(dòng)調(diào)用：

一個(gè)類的實(shí)例被創(chuàng)建（new操作、反射、cloning，反序列化）

調(diào)用類的static方法

使用或?qū)︻?接口的static屬性進(jìn)行賦值時(shí)（這不包括final的與在編譯期確定的常量表達(dá)式）

當(dāng)調(diào)用 API 中的某些反射方法時(shí)

子類被初始化

被設(shè)定為 JVM 啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)類（具有main方法的類）

本文后面會(huì)給出一個(gè)示例用于說(shuō)明主動(dòng)調(diào)用的被動(dòng)調(diào)用區(qū)別。

在這個(gè)階段，執(zhí)行代碼的順序遵循以下兩個(gè)原則：

有static先初始化static，然后是非static的

顯式初始化，構(gòu)造塊初始化，最后調(diào)用構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行初始化

class Singleton {

    private static Singleton mInstance = new Singleton();// 位置1
    public static int counter1;
    public static int counter2 = 0;

//    private static Singleton mInstance = new Singleton();// 位置2

    private Singleton() {
        counter1++;
        counter2++;
    }

    public static Singleton getInstantce() {
        return mInstance;
    }
}

public class InitDemo {

    public static void main(String[] args) {

        Singleton singleton = Singleton.getInstantce();
        System.out.println("counter1: " + singleton.counter1);
        System.out.println("counter2: " + singleton.counter2);
    }
}

當(dāng)mInstance在位置1時(shí)，打印出

counter1: 1
counter2: 0

當(dāng)mInstance在位置2時(shí)，打印出

counter1: 1
counter2: 1

Singleton中的三個(gè)屬性在Preparation階段會(huì)根據(jù)類型賦予默認(rèn)值，在Initialization階段會(huì)根據(jù)顯示賦值的表達(dá)式再次進(jìn)行賦值（按順序自上而下執(zhí)行）。根據(jù)這兩點(diǎn)，就不難理解上面的結(jié)果了。

class NewParent {

    static int hoursOfSleep = (int) (Math.random() * 3.0);

    static {
        System.out.println("NewParent was initialized.");
    }
}

class NewbornBaby extends NewParent {

    static int hoursOfCrying = 6 + (int) (Math.random() * 2.0);

    static {
        System.out.println("NewbornBaby was initialized.");
    }
}

public class ActiveUsageDemo {

    // Invoking main() is an active use of ActiveUsageDemo
    public static void main(String[] args) {

        // Using hoursOfSleep is an active use of NewParent,
        // but a passive use of NewbornBaby
        System.out.println(NewbornBaby.hoursOfSleep);
    }

    static {
        System.out.println("ActiveUsageDemo was initialized.");
    }
}

上面的程序最終輸出：

ActiveUsageDemo was initialized.
NewParent was initialized.
1

之所以沒有輸出NewbornBaby was initialized.是因?yàn)闆]有主動(dòng)去調(diào)用NewbornBaby，如果把打印的內(nèi)容改為NewbornBaby.hoursOfCrying 那么這時(shí)就是主動(dòng)調(diào)用NewbornBaby了，相應(yīng)的語(yǔ)句也會(huì)打印出來(lái)。

public class Alibaba {

    public static int k = 0;
    public static Alibaba t1 = new Alibaba("t1");
    public static Alibaba t2 = new Alibaba("t2");
    public static int i = print("i");
    public static int n = 99;
    private int a = 0;
    public int j = print("j");
    {
        print("構(gòu)造塊");
    }
    static {
        print("靜態(tài)塊");
    }

    public Alibaba(String str) {
        System.out.println((++k) + ":" + str + "   i=" + i + "    n=" + n);
        ++i;
        ++n;
    }

    public static int print(String str) {
        System.out.println((++k) + ":" + str + "   i=" + i + "    n=" + n);
        ++n;
        return ++i;
    }

    public static void main(String args[]) {
        Alibaba t = new Alibaba("init");
    }
}

上面這個(gè)例子是阿里巴巴在14年的校招附加題，我當(dāng)時(shí)看到這個(gè)題，就覺得與阿里無(wú)緣了。囧

1:j   i=0    n=0
2:構(gòu)造塊   i=1    n=1
3:t1   i=2    n=2
4:j   i=3    n=3
5:構(gòu)造塊   i=4    n=4
6:t2   i=5    n=5
7:i   i=6    n=6
8:靜態(tài)塊   i=7    n=99
9:j   i=8    n=100
10:構(gòu)造塊   i=9    n=101
11:init   i=10    n=102

上面是程序的輸出結(jié)果，下面我來(lái)一行行分析之。

由于Alibaba是 JVM 的啟動(dòng)類，屬于主動(dòng)調(diào)用，所以會(huì)依此進(jìn)行 loading、linking、initialization 三個(gè)過程。

經(jīng)過 loading與 linking 階段后，所有的屬性都有了默認(rèn)值，然后進(jìn)入最后的 initialization 階段。

在 initialization 階段，先對(duì) static 屬性賦值，然后在非 static 的。k 第一個(gè)顯式賦值為 0 。

接下來(lái)是t1屬性，由于這時(shí)Alibaba這個(gè)類已經(jīng)處于 initialization 階段，static 變量無(wú)需再次初始化了，所以忽略 static 屬性的賦值，只對(duì)非 static 的屬性進(jìn)行賦值，所有有了開始的：

    1:j   i=0    n=0
    2:構(gòu)造塊   i=1    n=1
    3:t1   i=2    n=2

接著對(duì)t2進(jìn)行賦值，過程與t1相同

    4:j   i=3    n=3
    5:構(gòu)造塊   i=4    n=4
    6:t2   i=5    n=5

之后到了 static 的 i 與 n：

    7:i   i=6    n=6

到現(xiàn)在為止，所有的static的成員變量已經(jīng)賦值完成，接下來(lái)就到了 static 代碼塊

    8:靜態(tài)塊   i=7    n=99

至此，所有的 static 部分賦值完畢，接下來(lái)是非 static 的 j

    9:j   i=8    n=100

所有屬性都賦值完畢，最后是構(gòu)造塊與構(gòu)造函數(shù)

    10:構(gòu)造塊   i=9    n=101
    11:init   i=10    n=102

經(jīng)過上面這9步，Alibaba這個(gè)類的初始化過程就算完成了。這里面比較容易出錯(cuò)的是第3步，認(rèn)為會(huì)再次初始化 static 變量或代碼塊。而實(shí)際上是沒必要，否則會(huì)出現(xiàn)多次初始化的情況。

希望大家能多思考思考這個(gè)例子的結(jié)果，加深這三個(gè)過程的理解。

經(jīng)過最后這三個(gè)例子，相信大家對(duì) JVM 對(duì)類加載機(jī)制都有了更深的理解，如果大家還是有疑問，歡迎留意討論。

Java Virtual Machine Specification Chapter 5

Chapter 7 of Inside the Java Virtual Machine

JVM Internals

What kind of method is Constructor, static or non static?

Understanding the Java ClassLoader