java类到底是如何加载并初始化的？

时间：2014-09-16 15:46:30 阅读：328 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

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Java虚拟机如何把编译好的.class文件加载到虚拟机里面？加载之后如何初始化类？静态类变量和实例类变量的初始化过程是否相同，分别是如何初始化的呢？这篇文章就

是解决上面3个问题的。

若有不正之处，请多多谅解并欢迎各位能够给予批评指正，提前谢谢各位了。

1. Java虚拟机加载.class过程

虚拟机把Class文件加载到内存，然后进行校验，解析和初始化，最终形成java类型，这就是虚拟机的类加载机制。加载，验证，准备，初始化这5个阶段的顺序是确定的，

类的加载过程，必须按照这种顺序开始。这些阶段通常是相互交叉和混合进行的。解析阶段在某些情况下，可以在初始化阶段之后再开始---为了支持java语言的运行时绑定。

Java虚拟机规范中，没有强制约束什么时候要开始加载，但是，却严格规定了几种情况必须进行初始化（加载，验证，准备则需要在初始化之前开始）：

1）遇到 new、getstatic、putstatic、或者invokestatic 这4条字节码指令，如果没有类没有进行过初始化，则触发初始化

2）使用java.lang.reflect包的方法，对垒进行反射调用的时候，如果没有初始化，则先触发初始化

3）初始化一个类时候，如果发现父类没有初始化，则先触发父类的初始化

2. 加载，验证，解析

加载就是通过指定的类全限定名，获取此类的二进制字节流，然后将此二进制字节流转化为方法区的数据结构，在内存中生成一个代表这个类的Class对象。验证是为了确

保Class文件中的字节流符合虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机的安全。加载和验证阶段比较容易理解，这里就不再过多的解释。解析阶段比较特殊，解析阶段是虚拟机

将常量池中的符号引用转换为直接引用的过程。如果想明白解析的过程，得先了解一点class文件的一些信息。class文件采用一种类似C语言的结构体的伪结构来存储我们编

码的java类的各种信息。其中，class文件中常量池（constant_pool）是一个类似表格的仓库，里面存储了我们编写的java类的类和接口的全限定名，字段的名称和描述符，

方法的名称和描述符。在java虚拟机将class文件加载到虚拟机内存之后，class类文件中的常量池信息以及其他的数据会被保存到java虚拟机内存的方法区。我们知道class文件

的常量池存放的是java类的全名，接口的全名和字段名称描述符，方法的名称和描述符等信息，这些数据加载到jvm内存的方法区之后，被称做是符号引用。而把这些类的

全限定名，方法描述符等转化为jvm可以直接获取的jvm内存地址，指针等的过程，就是解析。虚拟机实现可以对第一次的解析结果进行缓存，避免解析动作的重复执行。

在解析类的全限定名的时候，假设当前所处的类为D，如果要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或者接口C的直接引用，具体的执行办法就是虚拟机会把代表N的

全限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。这块可能不太好理解，但是我们可以直接理解为调用D类的ClassLoader来加载N，然后就完成了N--->C的解析，就可以了。

3. 准备阶段

之所以把在解析阶段前面的准备阶段，拿到解析阶段之后讲，是因为，准备阶段已经涉及到了类数据的初始化赋值。和我们本文讲的初始化有关系，所以，就拿到这里来讲

述。在java虚拟机加载class文件并且验证完毕之后，就会正式给类变量分配内存并设置类变量的初始值。这些变量所使用的内存都将在方法区分配。注意这里说的是类变量，

也就是static修饰符修饰的变量，在此时已经开始做内存分配，同时也设置了初始值。比如在 Public static int value = 123 这句话中，在执行准备阶段的时候，会给value

分配内存并设置初始值0，而不是我们想象中的123. 那么什么时候才会将我们写的123 赋值给 value呢？就是我们下面要讲的初始化阶段。

4. 初始化阶段

类初始化阶段是类加载过程的最后阶段。在这个阶段，java虚拟机才真正开始执行类定义中的java程序代码。Java虚拟机是怎么完成初始化的呢？这要从编译开始讲起。在编

译的时候，编译器会自动收集类中的所有静态变量（类变量）和静态语句块（static｛｝块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是根据语句在java代码中的顺序决定的。

收集完成之后，会编译成java类的 static{} 方法，java虚拟机则会保证一个类的static{} 方法在多线程或者单线程环境中正确的执行，并且只执行一次。在执行的过程中，便完

成了类变量的初始化。值得说明的是，如果我们的java类中，没有显式声明static{}块，如果类中有静态变量，编译器会默认给我们生成一个static{}方法。我们可以通过

javap -c 的命令，来看一下java字节码中编译器为我们生成或者合并的static{} 方法：

public class StaticValInitTest {

    public static int value = 123;

}

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上面我们讲述的是单类的情况，如果出现继承呢？如果有继承的话，父类中的类变量该如何初始化？这点由虚拟机来解决：虚拟机会保证在子类的static{}方法执行之

前，父类的static{}方法已经执行完毕。由于父类的static{}方法先执行，也就意味着父类的静态变量要优先于子类的静态变量赋值操作。

上面讲的都是静态变量，实例变量怎么解决呢？实例变量的初始化，其实是和静态变量的过程是类似的，但是时间和地点都不同哦。我们以下面的Dog类为例来讲一讲。

public class Dog {

    public String type = "tai di";

    public int age = 3;
}

1）当用new Dog() 创建对象的时候，首先在堆上为Dog对象分配足够的空间。

2）这块存储空间会被清零，这就是自动将Dog对象中的所有基本类型的数据都设置成了默认值，而引用类型则被设置成了null（类似静态类的准备阶段的过程）

3）Java收集我们的实例变量赋值语句，合并后在构造函数中执行赋值语句。没有构造函数的，系统会默认给我们生成构造函数。

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至此，java类初始化的理论基础已经完成了，其中的大部分的理论和思想都出自《深入理解java虚拟机》这本书。有了以上的理论基础，

再复杂的类初始化的情况，我们都可以应对了，下面就拿一个例子做一个具体的分析吧

public class Insect {
    private int i = 9;
    protected int j;
    
    protected static int x1 = printInit("static Insect.x1 initialized");
    
    Insect() {
        System.out.println("基类构造函数阶段： i = " + i + ", j = " + j);
        j = 39;
    }
    
    static int printInit(String s) {
        System.out.println(s);
        return 47;
    }
}

public class Beetle extends Insect {
    
    protected int k = printInit("Beetle.k initialized");
    
    protected static int x2 = printInit("static Beetle.x2 initialized");    
    
    public static void main(String[] args) {        
        Beetle b = new Beetle();
    }
}

上面例子来自《java编程思想》，以上代码的执行结果是什么呢？如果对上面我们讲的理论理解的话，很容易就知道结果是：

static Insect.x1 initialized

static Beetle.x2 initialized

基类构造函数阶段： i = 9, j = 0

Beetle.k initialized

具体的执行结果过程是：

在执行Beetle 类的 main方法的时候，因为该main方法是static方法，我们在上面已经知道，在执行类的static方法的时候，如果该类没有初始化，则要进行初始化，

因此，我们在执行main方法的时候，会执行加载--验证--准备--解析---初始化这个过程。在进行最后的初始化的时候，又有一个约束：虚拟机会保证在子类的static{}

方法执行之前，父类的static{}方法已经执行完毕。所以，在执行完解析之后，会先执行父类的初始化，在执行父类初始化的时候，

输出: static Insect.x1 initialized

然后接着初始化子类，输出：static Beetle.x2 initialized

以上两行输出，是静态变量的初始化，是在第一次调用静态方法，即，在执行new、getstatic、putstatic、或者invokestatic 这4条字节码指令时候触发的。所以，

你如果把上例中的static main 方法中的 Beetle b = new Beetle();

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注释掉，上面两行仍然会输出出来。然后就是执行Beetle b = new Beetle();这句代码了。我们知道，在实例化子类对象的时候，会自动调用父类的构造函数。

所以，接着就输出：基类构造函数阶段： i = 9, j = 0

紧接着是执行自己的构造函数，在堆上创建类实例对象，实例对象空间清零，然后执行赋值语句k = printInit("Beetle.k initialized");

输出： Beetle.k initialized

至此，整个类加载并初始化完毕，是不是理解起来就很简单了，趁胜追击，我们还是再来看一个例子吧：

public class Base {

    Base() {
        preProcess();
    }

    void preProcess() {
    }
}

public class Derived extends Base {

    public String whenAmISet = "set when declared"; 

    @Override 
    void preProcess() {

        whenAmISet = "set in preProcess";

    }    

    public static void main(String[] args) {
        Derived d = new Derived();
        System.out.println(d.whenAmISet);
    }
}

这个例子来源与@左耳朵耗子的博客，我就是看了他博客中的这个例子，才想起来写篇文章里理顺下java类初始化的过程，才有了这篇博客。废话不多说，这个例子里面，有

一个地方比较绕：父类在执行构造函数的时候，调用了子类（导出类）重载过的方法，在子类的重载方法中，给实例变量做了一次赋值，正是这次赋值，干扰了我们对类初始

化的理解。

我们不管类里面是怎么做的，还按照我们上个例子中那样进行分析：

1. 执行Derived 类 static main 方法的时候，执行类变量初始化，但是此例中父类和子类都没有类变量，所以此步骤什么都不做，进行实例变量初始化

2. 执行new Derived()的时候，先调用了父类的构造函数，因为子类的重载，调用了子类的preProcess方法，为实例变量whenAmISet 赋值为"set in preProcess"

3. 然后执行子类Derived 的构造函数，在构造函数中，有编译器为我们收集生成的实例变量赋值语句，最终，又将实例变量whenAmISet 赋值为"set when declared"

4. 所以最终的输出是： set when declared

如果对这个还不太理解的话，可以再Derived 类里面添加注释，改成下面的样子，输出看看，是不是对这个执行过程更清晰了呢？

public class Derived extends Base {
    
    // 准备阶段赋值 whenAmISet=null
    public String whenAmISet = "set when declared";
    
    public Derived() {
        System.out.println("do son constructor");
    }
     
    @Override 
    void preProcess() {
        System.out.println("do son process");
        System.out.println("whenAmISet:" + whenAmISet);
        whenAmISet = "set in preProcess";
        System.out.println("whenAmISet:" + whenAmISet);
        System.out.println("set in preProcess end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Derived d = new Derived();
        System.out.println(d.whenAmISet);
    }
}

参考资料：

《深入理解java虚拟机》

《Java编程思想》