类的初始化过程

本篇为学习JAVA虚拟机的第十一篇文章，其实在前面的文章中已经说到了类加载机制，但是为了本文的完整性，前面一部分还是重复地放在这里，后面会着重说明初始化过程。

1. 类加载过程

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)7个阶段。其中准备、验证、解析3个部分统称为连接（Linking）。如图所示：

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类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语言的运行时绑定（也称为动态绑定或晚期绑定）。以下陈述的内容都以HotSpot为基准。

2. 加载

在加载阶段（可以参考java.lang.ClassLoader的loadClass()方法），虚拟机需要完成以下3件事情：

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流（并没有指明要从一个Class文件中获取，可以从其他渠道，譬如：网络、动态生成、数据库等）；
将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；
在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口；

加载阶段和连接阶段（Linking）的部分内容（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的内容，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

3. 验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。

验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以魔术0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。

元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。

字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。

符号引用验证：确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

4. 准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在堆中。其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：

1	public static int value=123;

那变量value在准备阶段过后的初始值为0而不是123.因为这时候尚未开始执行任何java方法，而把value赋值为123的putstatic指令是程序被编译后，存放于类构造器()方法之中，所以把value赋值为123的动作将在初始化阶段才会执行。

至于“特殊情况”是指：public static final int value=123，即当类字段的字段属性是ConstantValue时，会在准备阶段初始化为指定的值，所以标注为final之后，value的值在准备阶段初始化为123而非0.

5. 解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。

6. 初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的java程序代码。在准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则根据程序猿通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者说：初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程.

<clinit>()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块static{}中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的，静态语句块只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问。如下：

public class Test
{
    static
    {
        i=0;
        System.out.println(i);//这句编译器会报错：Cannot reference a field before it is defined（非法向前应用）
    }
    static int i=1;
}

那么去掉报错的那句，改成下面：

public class Test
{
    static
    {
        i=0;
//      System.out.println(i);
    }
    static int i=1;

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

输出结果是什么呢？当然是1啦~在准备阶段我们知道i=0，然后类初始化阶段按照顺序执行，首先执行static块中的i=0,接着执行static赋值操作i=1,最后在main方法中获取i的值为1。

<clinit>()方法与实例构造器<init>()方法不同，它不需要显示地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类<cinit>()方法执行之前，父类的<clinit>()方法已经执行完毕.

⭐由于父类的<clinit>()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。

<clinit>()方法对于类或者接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生产<clinit>()方法。

虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确的加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是隐藏的。

虚拟机规范严格规定了有且只有5中情况（jdk1.7）必须对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

遇到 new , getstatic , putstatic , invokestatic 这些字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：①使用new关键字实例化对象的时候、②读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及③调用一个类的静态方法的时候。

使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

当初始化一个类的时候，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。

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。

下面说明三种被动引用(除了上面提到的五种情况外，所有引用类的方法都不会触发初始化，成为被动引用)。

第一种：通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。

public class SuperClass {
    static {
        System.out.println("superclass static init");
    }
    
    public static int value = 123;
}

public class SubClass extends SuperClass{
    static{
        System.out.println("SubClass static init");
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}

结果是：

1 2	superclass static init 123

说明：对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化，因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。

第二种：通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化

package chapter12;

//SuperClass复用上面个代码
public class NotInitialization
{
    public static void main(String[] args)
    {
        SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
    }
}

运行结果：（无）

说明：从结果来看，显然没有触发类chapter12.SuperClass的初始化阶段，但是这段代码触发了另一个名叫 "[Lchapter12.SuperClass"的类的初始化阶段。这显然不是一个合法的类名称，他是由虚拟机自动生成的、直接继承于java.lang.Object的子类，创建动作由字节码制定newarray触发。

这个类代表了一个元素类型为chapter12.SuperClass的一维数组，数组中应有的属性和方法(用于可直接使用的只有被修饰为public的length属性和clone()方法)都实现在这个类里。Java语言中对数组的访问比C/C++相对安全是因为这个类封装了数组元素的访问方法，而C/C++ 直接翻译为对数组指针的移动。

第三种：常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并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 ConstClass
{
    static
    {
        System.out.println("ConstClass init!");
    }
    public static  final String HELLOWORLD = "hello world";
}

public class NotInitialization
{
    public static void main(String[] args)
    {
        System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);
    }
}

运行结果：hello world

说明：上述代码虽然在java源码中引用了ConstClass类中的常量hello world，但是其实在编译阶段通过常量传播优化，已经将此常量值hello world存储到了NotInitialization的常量池中，以后NotInitialization对常量ConstClass.HELLOWORLD的引用实际上都被转化为NotInitialization对自身常量池的引用了。

7. 接口的加载

接口的加载过程与类加载过程有一些不同，针对接口需要做一些特殊说明：

接口也有初始化过程，而接口中不能使用static{}语句块，但编译器仍然会为接口生成"<clinit()>"类构造器，用于初始化接口中所定义的成员变量。

接口与类真正所区别的是前面讲述的5种“有且仅有”情况的第三种：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个借口在初始化时，并不要求其父接口全部都已经完成了初始化，只有在真正用到父接口时（如引用接口中定义的常量）才会初始化。

8. 例子巩固

public class SSClass
{
    static
    {
        System.out.println("SSClass");
    }
}

public class SuperClass extends SSClass
{
    static
    {
        System.out.println("SuperClass init!");
    }

    public static int value = 123;

    public SuperClass()
    {
        System.out.println("init SuperClass");
    }
}

public class SubClass extends SuperClass
{
    static 
    {
        System.out.println("SubClass init");
    }

    static int a;

    public SubClass()
    {
        System.out.println("init SubClass");
    }
}

public class NotInitialization
{
    public static void main(String[] args)
    {
        System.out.println(SubClass.value);
    }
}

运行结果：

1
2
3

SSClass
SuperClass init!
123

9.总结java执行顺序

举例立刻明白：

public class Children extends Parent{
    public Children() {
        System.out.println("Children构造函数");
    }
    {
        System.out.println("Children普通代码块");
    }
    static {
        System.out.println("Children静态代码块");
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Children children = new Children();
    }
}

public class Parent {
    public Parent() {
        System.out.println("Parent构造函数");
    }
    {
        System.out.println("Parent普通代码块");
    }
    static {
        System.out.println("Parent静态代码块");
    }
}

执行结果：

Parent静态代码块
Children静态代码块
Parent普通代码块
Parent构造函数
Children普通代码块
Children构造函数

总结：

父类静态块
自身静态块
父类块
父类构造器
自身块
自身构造器

10. 总结java赋值顺序

举例立刻明白：

public class Parent {
    public String flag = "父类成员变量赋值";
    
    public Parent() {
        System.out.println();
        System.out.println("父类构造器--->" + flag);
        flag = "父类构造器赋值";
        System.out.println("父类构造器--->" + flag);
    }
    
    {
        System.out.println("父类代码块--->" + flag);
        flag = "父类代码块赋值";
        System.out.println("父类代码块--->" + flag);
    }
}

public class Children extends Parent{
    public String flag = "成员变量赋值";
    
    public Children() {
        System.out.println();
        System.out.println("子类构造器--->" + flag);
        flag = "子类构造器赋值";
        System.out.println("子类构造器--->" + flag);
    }
    
    {
        System.out.println();
        System.out.println("子类代码快--->" + flag);
        flag = "子类代码块赋值";
        System.out.println("子类代码块--->" + flag);
    }
    
    public void setFlag(){
        System.out.println();
        System.out.println("子类方法--->" + flag);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Children children = new Children();
        children.setFlag();
    }
}

运行结果：

父类代码块--->父类成员变量赋值
父类代码块--->父类代码块赋值

父类构造器--->父类代码块赋值
父类构造器--->父类构造器赋值

子类代码快--->成员变量赋值
子类代码块--->子类代码块赋值

子类构造器--->子类代码块赋值
子类构造器--->子类构造器赋值

子类方法--->子类构造器赋值

总结：

父类的静态变量赋值
自身的静态变量赋值

父类成员变量赋值
父类块赋值
父类构造器赋值

自身成员变量赋值
自身块赋值
自身构造器赋值