Java 类加载之匿名类和主类相互依赖问题

Qestion

/**
 * ClassInitializedOrder for : Java Classload Order Test
 *
 * @author <a href="mailto:magicianisaac@gmail.com">Isaac.Zhang | 若初</a>
 * @since 2019/7/20
 */
// CASE 1
public class ClassInitializedOrder {
    private static boolean initialized = false;
    static {
        println("static 代码块执行。");
        Thread thread = new Thread(() -> initialized = true);
        thread.start();
        try {
            thread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        println("main 函数执行。");
        System.out.println("initialized = " + initialized);
    }

    private static void println(Object o){
        System.out.println(o);
    }
}

-------------------------------------------------------------------
// CASE 2
public class ClassInitializedOrder {
    private static boolean initialized = false;
    static {
        println("static 代码块执行。");
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                println("Runnable 代码块执行。");
                initialized = true;
            }
        });
        thread.start();
        try {
            thread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        println("main 函数执行。");
        System.out.println("initialized = " + initialized);
    }

    private static void println(Object o){
        System.out.println(o);
    }

Answer

• A: initialized = true
• B: initialized = false
• C: 编译错误
• D: 以上答案都是错的

Explain

程序执行的时候，App Classloader 会首先加载ClassInitializedOrder.class, 按照类的顺序依次执行。

private static boolean initialized = false;

CASE 1

我们都知道，static块会在类加载的时候初始化，那么下一步会执行到Thread thread = new Thread(() -> initialized = true);我们先来看一下当前行的字节码：

static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=3, locals=2, args_size=0
         0: iconst_0
         1: putstatic     #7                  // Field initialized:Z
         4: new           #11                 // class java/lang/Thread
         7: dup
         8: invokedynamic #12,  0             // InvokeDynamic #0:run:()Ljava/lang/Runnable;
        13: invokespecial #13                 // Method java/lang/Thread."<init>":(Ljava/lang/Runnable;)V
        16: astore_0
        17: aload_0
        18: invokevirtual #14                 // Method java/lang/Thread.start:()V
        21: aload_0
        22: invokevirtual #15                 // Method java/lang/Thread.join:()V
        25: goto          33
        28: astore_1
        29: aload_1
        30: invokevirtual #17                 // Method java/lang/InterruptedException.printStackTrace:()V
        33: return

分析#12可以看到当前行的处理需要()也就是改匿名类本身来处理，InvokeDynamic指令的在当前的执行又依赖于当前所处的主类，主类并没有执行结束，因此它需要等待主类执行结束，因此会在此停顿，如下：

CASE 2

继续查看字节码：

 static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=4, locals=2, args_size=0
         0: iconst_0
         1: putstatic     #1                  // Field initialized:Z
         4: ldc           #14                 // String static 代码块执行。
         6: invokestatic  #2                  // Method println:(Ljava/lang/Object;)V
         9: new           #15                 // class java/lang/Thread
        12: dup
        13: new           #16                 // class com/sxzhongf/daily/question/july/ClassInitializedOrder$1
        16: dup
        17: invokespecial #17                 // Method com/sxzhongf/daily/question/july/ClassInitializedOrder$1."<init>":()V
        20: invokespecial #18                 // Method java/lang/Thread."<init>":(Ljava/lang/Runnable;)V
        23: astore_0
        24: aload_0
        25: invokevirtual #19                 // Method java/lang/Thread.start:()V
        28: aload_0
        29: invokevirtual #20                 // Method java/lang/Thread.join:()V
        32: goto          40
        35: astore_1
        36: aload_1
        37: invokevirtual #22                 // Method java/lang/InterruptedException.printStackTrace:()V
        40: return

查看#16,我们可以看到这里变成了new #16 // class com/sxzhongf/daily/question/july/ClassInitializedOrder$1,可以明显看到从之前的invokeDynamic 变成了 new 一个匿名类，那么它的结果呢？

依然还是block.我们来换一行代码试试？

public class ClassInitializedOrder {
    private static boolean initialized = false;
    static {
        println("static 代码块执行。");
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                //println("Runnable 代码块执行。");
                System.out.println("Runnable 代码块执行。");
                //initialized = true;
            }
        });
        thread.start();
        try {
            thread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

我们看到我们只是修改了一行代码System.out.println("Runnable 代码块执行。");，那么结果呢？

执行成功的返回了。为什么？继续查看字节码

 static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=4, locals=2, args_size=0
         0: iconst_0
         1: putstatic     #9                  // Field initialized:Z
         4: ldc           #14                 // String static 代码块执行。
         6: invokestatic  #3                  // Method println:(Ljava/lang/Object;)V
         9: new           #15                 // class java/lang/Thread
        12: dup
        13: new           #16                 // class com/sxzhongf/daily/question/july/ClassInitializedOrder$1
        16: dup
        17: invokespecial #17                 // Method com/sxzhongf/daily/question/july/ClassInitializedOrder$1."<init>":()V
        20: invokespecial #18                 // Method java/lang/Thread."<init>":(Ljava/lang/Runnable;)V
        23: astore_0
        24: aload_0
        25: invokevirtual #19                 // Method java/lang/Thread.start:()V
        28: aload_0
        29: invokevirtual #20                 // Method java/lang/Thread.join:()V
        32: goto          40
        35: astore_1
        36: aload_1
        37: invokevirtual #22                 // Method java/lang/InterruptedException.printStackTrace:()V
        40: return

查看#16,看到的还是new了一个匿名类，和上一个是一样的，为什么就可以成功呢？这个在于当前匿名类中没有依赖主类的代码信息。不存在上下依赖，那么就不会出现相互等待的情况发生，当然也就不会出现block。

那么就有朋友会问，为什么会相互等待呢?这里和我们join就有关联了，我们来看一下它的实现代码。

public final synchronized void join(long millis)
    throws InterruptedException {
        long base = System.currentTimeMillis();
        long now = 0;

        if (millis < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
        }

        if (millis == 0) {
            while (isAlive()) {
                wait(0);
            }
        } else {
            while (isAlive()) {
                long delay = millis - now;
                if (delay <= 0) {
                    break;
                }
                wait(delay);
                now = System.currentTimeMillis() - base;
            }
        }
    }

我们可以看到，首先它是synchronized关键词修饰的，那就说明它同时只能被一个线程访问，再往下看，我们能发现，join的具体实现，其实就是wait()来实现，当子线程中的程序再等待main线程的实现类初始化完成的时候，又依赖了主线程中的某些元素对象。那么就会开始等待主线程初始化完成，这个时候，根据classloader加载类的执行顺序，在#16就会开始等待，那么主类无法初始化完成，造成相互等待现相。

Result

• 匿名内置类的初始化不能依赖于外部类的初始化
• lambda表达式中invokeDynamic作为主类字节码的一部分，需要等待主类初始化完成才能开始执行

总之，在类的初始化阶段，不能出现内置类（匿名/Lambda）和主类初始化中相互依赖的对象