深入理解JVM（③）虚拟机的类加载时机

前言

Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这个过程被称为虚拟机的类加载机制。

类加载的时机

一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载除内存为止，它的生命周期将会经历加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和 卸载（Unloading）、七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分统称为连接（Linking）。

类的生命周期如下图：



其实加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类型的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语音的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）。

在什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段“加载”，《Java虚拟机规则》中并没有进行强制约束，但是对于初始化阶段《Java虚拟机规范》则是严格规定了有且只有以下六种情况必须立即对类进行“初始化”。

1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化阶段。
   
   涉及到这四条指令的典型场景有：

• 使用new关键字实例化对的时候。
• 读取或设置一个类型的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候。
• 调用一个类型的静态方法的时候。

1. 使用 java.lang.reflect 包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
2. 当初始化类型的时候，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。
3. 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。
4. 当使用JDK7新加入的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
5. 当一个接口中定义了JDK8新加入的默认方法（被default关键字修饰的接口方法）时，如果这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。
   
   除了以上的这个六种场景外，所有引用类型的方式都不会触发初始化，称为被动引用。
   
   下面来看一下哪些是被动引用：

例子1：

父类

package com.jimoer.classloading;

/**
 * @author jimoer
 * @date Create in 2020/06/24 16:08
 * @description 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。
 */
public class FatherClass {

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

    public static int value = 666;

}

子类

package com.jimoer.classloading;

public class SonClass extends FatherClass{

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

}

测试类

@Test
public void testInitClass(){
    System.out.println(SonClass.value);
}

运行结果：

FatherClass init!!!!!
666

通过运行结果我们看到，只输出了“FatherClass init!!!!!”，并没有输出“SubClass init!!!”，这是因为对于使用静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过子类来引用父类中定义的静态字段，并不会初始化子类。

例子2：

/**
 * 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化
 */
@Test
public void testInitClass2(){
    FatherClass[] fathers = new FatherClass[5];
}

运行结果：未打印任何信息。

通过运行结果我们发现，并没有打印出 FatherClass init!!!!! ，这说明并没有触发Father类的初始化阶段。但是这段代码里面触发了另一个名为“[Lcom.jimoer.classloading.FatherClass”的类的初始化阶段，它是一个由虚拟机自动生成的、直接继承与java.lang.Object的子类，创建动作由字节码newarray触发。这个类代表了一个元素类型为FatherClass的一维数组，数组中应用的属性和方法（length属性和clone()方法）都实现在这个类里。

例子3：

/**
 * @author jimoer
 * 常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，
 * 本质上没有直接引用到定义常量的类，
 * 因此不会触发定义常量的类的初始化。
 */
public class ConstantClass {

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

    public static final String CLASS_LOAD = "class load test !!!";

}

使用

/**
 * 使用常量
 */
@Test
public void testInitClass3(){
    System.out.println(ConstantClass.CLASS_LOAD);
}

运行结果：

class load test !!!

通过运行结果，我们看到当在使用一个类的常量时，并不会初始化定义了常量的类。这是因为虽然在Java源码中确实引用了ConstatClass的类的常量CLASS_LOAD，但其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量的值“class load test !!!”直接存储在使用常量的类中的常量池中了，所以在使用ConstantClass.CLASS_LOAD时候，实际上都被转化为在使用类自身的常量池的引用了。

接口也是有初始化过程的，上面的代码都是用静态语句块“static {}”来输出初始化信息的，而接口中不能使用static{}语句块，但编译器仍然会为接口生成“()”类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。

还有一点接口与类不同，当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是在一个接口初始化时，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候（例如引用接口中的常量）才会初始化。