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)。
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)。
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);(类加载器)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。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:
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。这个类是否继承了不允许继承的类(被final修饰的类);如果这个类不是抽象类,是否实现了其父类或接口中要求实现的所有方法;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。 例如:
保证跳转指令不会跳转到方法体以外的字节码指令上;保证方法体中的类型转换是有效的;例如:
符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类;符号引用中的类、字段、方法的访问性(private、protected、public、default)是否可以被当前类访问;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。
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。
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:
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.
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。
符号引用以一组符号来描述所引用的目标,符号可以是任何形式的字面量,只要使用时无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关,引用的目标不一定已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以不同,但是它们能够接受的符号引用必须是一致的,因为符号引用的字面量形式明确定义在Java虚拟机规范的Class文件格式中。
直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能简介定位到目标的句柄,直接引用是和虚拟机实现的内存布局相关的,同一个符号引用在不同虚拟机上翻译出来的直接引用一般会不相同。如果有了直接引用,那引用的目标必定已经在内存中存在。
初始化是类加载过程的最后一步,此阶段根据程序员编写的程序制定的计划去初始化类变量和其他资源,或者可以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{ }块)中的语句合并产生的,静态语句块中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,在前面的语句块可以赋值,但是不能访问。 public class Test { static { i = 0; // 给变量赋值可以正常编译通过 System.out.println(i); // 这句编译器会提示“非法向前引用” } static int i = 1; } <clinit>()方法与类的构造函数(或者说实例构造器<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的()方法执行之前,父类的()方法已经执行完毕。由于父类的()方法先执行,所以父类的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。如下述代码,输出的值为2而不是1: static class Parent { public static int A = 1; static { A = 2; } } static class Sub extends Parent { public static int B = A; } public static void main(String[] args) { System.out.println(Sub.B); } ()方法对于类或者接口来说不是必需的,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成()方法。接口中不能有静态语句块,但仍然有变量初始化的赋值操作,因此接口也会生成()方法,与普通类不同的是,执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法,只有当父接口的变量使用时,才会初始化,另外,接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。 虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确的加载、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()方法,其它线程都需要阻塞等待。