Java类的生命周期

概述

在Java中数据类型分为基本数据类型和引用数据类型。基本数据类型由虚拟机预先定义，引用数据类型则需要进行类的加载。
按照Java虚拟机规范，从class文件到加载到内存中的类，到类的卸载出内存为止，它的整个生命周期包括如下7个阶段：

其中，验证、准备、解析3个部分统称为链接(Linking)

一、加载Loading阶段

a. 加载的理解：
       ~~~~~~        i. 所谓加载，简而言之就是将java类的字节码文件加载到机器内存中，并在内存中构建出java类的原型——类模板对象。所谓类模板对象，其实就是java类在JVM内存中的一个快照，JVM将从字节码文件中解析出的常量池、类字段、类方法等信息存储到类模板中，这样JVM在运行期便能通过类模板而获取java类中的任意信息，能够对java类的成员变量进行遍历，也能进行Java方法的调用
       ~~~~~~        ii. 反射的机制即基于这一基础，如果JVM没有将java类的声明信息存储起来，则JVM在运行期也无法反射
b. 加载完成的操作：
       ~~~~~~        i. 加载阶段，简言之，查找并加载类的二进制数据，生成Class的实例
       ~~~~~~        ii. 在加载类时，Java虚拟机必须完成以下三件事情：
       ~~~~~~               ~~~~~~        1) 通过类的全名，获取类的二进制数据流
       ~~~~~~               ~~~~~~        2) 解析类的二进制数据流为方法区内的数据结构(java类模型)
       ~~~~~~               ~~~~~~        3) 创建java.lang.class类的实例，表示该类型。作为方法区这个类的各种数据的访问入口
c. 类模型的位置：
       ~~~~~~        i. 加载的类在JVM中创建相应的类结构，类结构会存储在方法区(jdk 1.8之前：永久代，jdk 1.8之后：元空间)
d. Class实例的位置：
       ~~~~~~        i. 类将 .class文件加载至元空间后，会在堆中创建一个java.lang.class对象，用来封装类位于方法区内的数据结构，该Class对象时在加载类的过程中创建的，每个类都对应一个Class类型的数据
e. 再说明：
       ~~~~~~        i. Class类的构造方法是私有的，只有JVM能够创建
       ~~~~~~        ii. java.lang.class实例是访问类型元数据的接口，也是实现反射的关键数据、入口。通过Class类提供的接口，可以获得目标类所关联的 .class文件中具体的数据结构：方法、字段等信息
f. 数组类的加载：
       ~~~~~~        i. 创建数组类的情况稍微有些特殊，因为数组类本身并不是由类加载器负责创建，而是由JVM在运行时根据需要而直接创建的，但数组的元素类型仍然需要依靠类加载器去创建，创建数组类(下述简称A)的过程：
       ~~~~~~               ~~~~~~        1) 如果数组的元素类型是引用类型，那么就遵循定义的加载过程递归加载和创建数组A的元素类型
       ~~~~~~               ~~~~~~        2) JVM使用指定的元素类型和数组维度来创建新的数组类
       ~~~~~~        ii. 如果数组类的元素类型是引用类型，数组类的可访问性就由元素类型的可访问性决定。否则数组类的可访问性将被缺省定义为public
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二、链接Linking阶段

环节1：链接阶段之Verification(验证)

i. 当类加载到系统后，就开始链接操作，验证是链接操作的第一步
ii. 它的目的是保证加载的字节码是合法、合理并符合规范的
iii. 验证的步骤比较复杂，实际要验证的项目也很繁多，大体上Java虚拟机要做以下检查，如图所示：

iv. 整体说明：
       ~~~~~~        1) 验证的内容覆盖了类数据信息的格式验证、语义检查、字节码验证以及符号引用验证等
       ~~~~~~               ~~~~~~        a) 其中格式验证会和加载阶段一起进行。验证通过之后，类加载器才会成功将类的二进制数据信息加载到方法区中
       ~~~~~~               ~~~~~~        b) 格式验证之外的验证操作将会在方法区中进行
       ~~~~~~        2) 链接阶段的验证虽然拖慢了加载速度，但是它避免了在字节码运行时还需要进行各种检查

环节2：链接阶段之Preparation(准备)

i. 当一个类验证通过时，虚拟机就会进入准备阶段。在这个阶段，虚拟机会为这个类分配相应的内存空间，并设置默认初始值
       ~~~~~~        1) 注意，Java虚拟机并不支持boolean类型，对于boolean类型，内部实现是int，由于int的默认值是0，故对应的，boolean的默认值就是false
ii. 注意：
       ~~~~~~        1) 这里不包含基本数据类型的字段用static final修饰的情况，因为final在编译的时候就会分配了，准备阶段会显式赋值
       ~~~~~~        2) 注意这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中
       ~~~~~~        3) 在这个阶段并不会像初始化阶段中那样会有初始化或者代码被执行

环节3：链接阶段之Resolution(解析)

i. 解析阶段简言之，就是将类、接口、字段和方法的符号引用转为直接引用
ii. 具体描述：
       ~~~~~~        1) 符号引用就是一些字面量的引用，如虚拟机的内部数据结构和内存布局无关。比较容易理解的就是在Class类文件中，通过常量池进行了大量的符号引用。但是在程序实际运行时，只有符号引用是不够的，比如当如下println()方法被调用时，系统需要明确知道该方法的位置
       ~~~~~~        2) 以方法为例，Java虚拟机为每个类都准备了一张方法表，将其所有的方法都列在表中，当需要调用一个类的方法的时候，只要知道这个方法在方法表中的偏移量就可以直接调用该方法。通过解析操作，符号引用就可以转变为目标方法在类中方法表中的位置，从而使得方法被成功调用
iii. 小结：
       ~~~~~~        1) 所谓解析就是将符号引用转为直接引用，也就是得到类、字段、方法在内存中的指针或者偏移量。因此，可以说，如果直接引用存在，那么可以肯定系统中存在该类、方法或者字段。但只存在符号引用，不能确定系统中一定存在该结构。
       ~~~~~~        2) 不过Java虚拟机规范并没有明确要求解析阶段一定要按照顺序执行。在Hotspot VM中，加载、验证、准备和初始化会按照顺序有条不紊地执行，但链接阶段中的解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后再执行
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三、初始化Initialization阶段

a. 初始化阶段，简言之，就是为类的静态变量赋予正确的初始值
b. 具体描述：
       ~~~~~~        i. 类的初始化是类装载的最后一个阶段。如果前面的步骤都没有问题，那么表示类可以顺利装载到系统中。此时，类才会开始执行Java字节码。(即：到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码)
       ~~~~~~        ii. 初始化阶段的重要工作是执行类的初始化方法：< clinit >()方法
       ~~~~~~               ~~~~~~        1) 该方法仅能由Java编译器生成并由JVM调用，程序开发者无法自定义一个同名的方法，更无法直接在Java程序中调用该方法，虽然该方法也是由字节码指令所组成
       ~~~~~~               ~~~~~~        2) 它是由类静态成员的赋值语句以及static语句块合并产生的
c. 说明：
       ~~~~~~        i. 在加载一个类之前，虚拟机总是会试图加载该类的父类，因此父类的< clinit >总是在子类的< clinit >之前被调用。也就是说，父类的static块优先级高于子类。
       ~~~~~~        ii. Java虚拟机并不会为所有的类都产生< clinit >()初始化方法。哪些类在编译为字节码后，字节码文件中将不会包含< clinit >()方法？
       ~~~~~~               ~~~~~~        1) 一个类中并没有声明任何的类变量，也没有静态代码块时
       ~~~~~~               ~~~~~~        2) 一个类中声明类变量，但是没有明确使用类变量的初始化语句以及静态代码块来执行初始化操作时
       ~~~~~~               ~~~~~~        3) 一个类中包含static final修饰的基本数据类型的字段，这些类字段初始化语句采用编译时常量表达式
§ 使用static final修饰的字段的显式赋值的操作，到底在哪个阶段进行的赋值？
       ~~~~~~        1) 情况1：在链接阶段的准备环节赋值
       ~~~~~~               ~~~~~~        a) 对于基本数据类型的字段来说，如果使用static final修饰，则显式赋值(直接赋值常量，而非调用方法)通常是在链接阶段的准备环节进行
       ~~~~~~               ~~~~~~        b) 对于String来说，如果使用字面量的方式赋值，使用static final修饰，则显式赋值通常是在链接阶段的准备环节进行
       ~~~~~~        2) 情况2：在初始化阶段的< clinit >()中赋值
       ~~~~~~               ~~~~~~        a) 排除上述的在准备阶段赋值的情况之外的情况
       ~~~~~~        3) 最终结论：使用static+final修饰，且显式赋值中不涉及到方法或构造器调用的基本数据类型或String类型的显式赋值，是在链接阶段的准备环节进行
d. < clinit >()的线程安全性：
       ~~~~~~        i. 对于< clinit >()方法的调用，也就是类的初始化，虚拟机会在内部确保其多线程环境中的安全性
       ~~~~~~        ii. 虚拟机会保证一个类的< clinit >()方法在多线程环境中被正确地加锁、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，其它线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行< clinit >()方法完毕
       ~~~~~~        iii. 正是因为< clinit >()是带锁线程安全的，因此，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，引发死锁，并且这种死锁是很难发现的，因为看起来它们并没有可用的锁信息
       ~~~~~~        iv. 如果之前的线程成功加载了类，则等在队列中的线程就没有机会再执行< clinit >()方法了。那么，当需要使用这个类时，虚拟机会直接返回给它已经准备好的信息
e. 类的初始化情况：主动使用与被动使用
       ~~~~~~        i. 主动使用：Class只有在必须要首次使用的时候才会被装载，Java虚拟机不会无条件地装载Class类型。Java虚拟机规定，一个类或接口在初次使用前，必须要进行初始化。这里的使用是指主动使用，主动使用只有下列几种情况：(即：如果出现如下的情况，则会对类进行初始化操作。而初始化操作之前的加载、验证、准备已经完成)
       ~~~~~~               ~~~~~~        1) 当创建一个类的实例时，比如使用new关键字，或者通过反射、克隆、反序列化。
       ~~~~~~               ~~~~~~        2) 当调用类的静态方法时，即当使用了字节码invokestatic指令。
       ~~~~~~               ~~~~~~        3) 当使用类、接口的静态字段时(final修饰特殊考虑)，比如，使用getstatic或者putstatic指令。(对应访问变量、赋值变量操作)
       ~~~~~~               ~~~~~~        4) 当使用java.lang.reflect包中的方法反射类的方法时。比如：Class.forName(“com.example.java.Test”)
       ~~~~~~               ~~~~~~        5) 当初始化子类时，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。
       ~~~~~~               ~~~~~~        补充说明：当Java虚拟机初始化一个类时，要求它所有的父类都已经被初始化，但是这条规则并不适用于接口
       ~~~~~~               ~~~~~~               ~~~~~~        i) 在初始化一个类时，并不会先初始化它所实现的接口
       ~~~~~~               ~~~~~~               ~~~~~~        ii) 在初始化一个接口时，并不会先初始化它的父接口
       ~~~~~~               ~~~~~~               ~~~~~~        iii) 因此，一个父接口并不会因为它的子接口或者实现类的初始化而初始化，只有当程序首次使用特定接口的静态字段时，才会导致该接口的初始化
       ~~~~~~               ~~~~~~        6) 如果一个接口定义了default方法，那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化，该接口要在其之前被初始化。
       ~~~~~~               ~~~~~~        7) 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。
       ~~~~~~               ~~~~~~        补充说明：
       ~~~~~~               ~~~~~~               ~~~~~~        i) JVM启动的时候通过引导类加载器加载一个初始类，这个类在调用public static void main(String[])方法之前被链接和初始化。这个方法的执行将依次导致所需的类的加载、链接和初始化
       ~~~~~~               ~~~~~~        8) 当初次调用MethodHandle实例时，初始化该MethodHandle指向的方法所在的类。(涉及解析REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic方法句柄对应的类)
       ~~~~~~        ii. 被动使用：除了以上的情况属于主动使用，其它的情况均属于被动使用。被动使用不会引起类的初始化。也就是说：并不是在代码中出现的类，就一定会被加载或者初始化。如果不符合主动使用的条件，类就不会初始化。
       ~~~~~~               ~~~~~~        1) 当访问一个静态字段时，只有真正声明这个字段的类才会被初始化。
       ~~~~~~               ~~~~~~               ~~~~~~        a) 当通过子类引用父类的静态变量，不会导致子类初始化
       ~~~~~~               ~~~~~~        2) 通过数组定义类引用，不会触发此类的初始化
       ~~~~~~               ~~~~~~        3) 引用常量不会触发此类或接口的初始化，因为常量在链接阶段就已经被显式赋值了
       ~~~~~~               ~~~~~~        4) 调用ClassLoader类的loadClass()方法加载一个类，并不是对类的主动使用，不会导致类的初始化
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四、类的使用Using

任何一个类在使用之前都必须经过完整的加载、链接和初始化3个类加载步骤。一旦一个类型成功经历这三个步骤之后，便可以被开发者使用了。
开发人员可以在程序中访问和调用它的静态类成员信息(比如：静态字段、静态方法)，或者使用new关键字为其创建对象实例。
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五、类的卸载Unloading

a. 类、类的加载器、类的实例之间的引用关系：
       ~~~~~~        i. 在类加载器的内部实现中，用一个Java集合来存放所加载类的引用。另一方面，一个Class对象总是会引用它的类加载器，调用Class对象的getClassLoader()方法，就能获得它的类加载器。由此可见，代表某个类的Class实例与其类的加载器之间为双向关联关系。
       ~~~~~~        ii. 一个类的实例总是引用代表这个类的Class对象。在Object类中定义了getClass()方法，这个方法返回代表对象所属类的Class对象的引用。此外，所有的java类都有一个静态属性class，它引用代表这个类的Class对象。
b. 类的生命周期：
       ~~~~~~        i. 当Sample类被加载、链接和初始化之后，它的生命周期就开始了。当代表Sample类的Class对象不再被引用，即不可触及时，Class对象就会结束生命周期，Sample类在方法区内的数据也会被卸载，从而结束Sample类的生命周期。
       ~~~~~~        ii. 一个类何时结束生命周期，取决于代表它的Class对象何时结束生命周期。
c. 具体例子：

回顾：方法区的垃圾回收——JVM运行时数据区之方法区
d. 类的卸载：
       ~~~~~~        i. 如果程序运行过程中，将上图左侧三个引用变量都置为null，此时Sample对象结束生命周期，MyClassLoader对象结束生命周期，代表Sample类的Class对象也结束生命周期，Sample类在方法区内的二进制数据被卸载
       ~~~~~~        ii.当再次有需要时，会检查Sample类的Class对象是否存在，如果存在会直接使用，不再重新加载；如果不存在Sample类会被重新加载，在Java虚拟机的堆区会生成一个新的代表Sample类的Class实例(可以通过哈希码查看是否是同一个实例)。

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