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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#xff0c;引用数据类型则需要进行类的加载。
按照 Java 虚拟机规范#xff0c;从 class 文件到加载到内存中的类#xff0c;到类卸载出内存为止#xff0c;它的整个生命周期包…1. 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
从程序中类的使用过程看 2. 过程一Loading加载阶段
2.1. 加载完成的操作
加载的理解
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。\color{red}{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]VM 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]VM 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。
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。
加载完成的操作
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。\color{red}{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。}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。
在加载类时Java 虚拟机必须完成以下 3 件事情 通过类的全名获取类的二进制数据流。 解析类的二进制数据流为方法区内的数据结构Java 类模型 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
2.2. 二进制流的获取方式
对于类的二进制数据流虚拟机可以通过多种途径产生或获得。只要所读取的字节码符合 JVM 规范即可
虚拟机可能通过文件系统读入一个 class 后缀的文件最常见\color{red}{最常见}最常见读入 jar、zip 等归档数据包提取类文件。事先存放在数据库中的类的二进制数据使用类似于 HTTP 之类的协议通过网络进行加载在运行时生成一段 class 的二进制信息等在获取到类的二进制信息后Java 虚拟机就会处理这些数据并最终转为一个 java.lang.Class 的实例。
如果输入数据不是 ClassFile 的结构则会抛出 ClassFormatError。
2.3. 类模型与 Class 实例的位置
类模型的位置
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JDKl.8 之前永久代J0Kl.8 及之后元空间。
Class 实例的位置
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 对象是在加载类的过程中创建的每个类都对应有一个 Class 类型的对象。 Class clazz Class.forName(java.lang.String);
//获取当前运行时类声明的所有方法
Method[] ms clazz.getDecla#FF0000Methods();
for (Method m : ms) {//获取方法的修饰符String mod Modifier.toString(m.getModifiers());System.out.print(mod );//获取方法的返回值类型String returnType (m.getReturnType()).getSimpleName();System.out.print(returnType );//获取方法名System.out.print(m.getName() ();//获取方法的参数列表Class?[] ps m.getParameterTypes();if (ps.length 0) {System.out.print());}for (int i 0; i ps.length; i) {char end (i ps.length - 1) ? ) : ,;//获取参教的类型System.out.print(ps[i].getSimpleName() end);}
}2.4. 数组类的加载
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
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JVM 使用指定的元素类型和数组维度来创建新的数组类。
如果数组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。 3. 过程二Linking链接阶段
3.1. 环节 1链接阶段之 Verification验证
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。
它的目的是保证加载的字节码是合法、合理并符合规范的。\color{red}{它的目的是保证加载的字节码是合法、合理并符合规范的。}它的目的是保证加载的字节码是合法、合理并符合规范的。
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 虚拟机需要做以下检查如图所示。 整体说明
验证的内容则涵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。
其中格式验证会和加载阶段一起执行\color{red}{其中格式验证会和加载阶段一起执行}其中格式验证会和加载阶段一起执行。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。格式验证之外的验证操作将会在方法区中进行\color{red}{格式验证之外的验证操作将会在方法区中进行}格式验证之外的验证操作将会在方法区中进行。
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。磨刀不误砍柴工
具体说明 格式验证是否以魔数 0XCAFEBABE 开头主版本和副版本号是否在当前 Java 虚拟机的支持范围内数据中每一个项是否都拥有正确的长度等。 语义检查Java 虚拟机会进行字节码的语义检查但凡在语义上不符合规范的虚拟机也不会给予验证通过。比如 是否所有的类都有父类的存在在 Java 里除了 object 外其他类都应该有父类是否一些被定义为 final 的方法或者类被重写或继承了非抽象类是否实现了所有抽象方法或者接口方法 字节码验证Java 虚拟机还会进行字节码验证字节码验证也是验证过程中最为复杂的一个过程\color{red}{字节码验证也是验证过程中最为复杂的一个过程}字节码验证也是验证过程中最为复杂的一个过程。它试图通过对字节码流的分析判断字节码是否可以被正确地执行。比如 在字节码的执行过程中是否会跳转到一条不存在的指令函数的调用是否传递了正确类型的参数变量的赋值是不是给了正确的数据类型等 栈映射帧StackMapTable就是在这个阶段用于检测在特定的字节码处其局部变量表和操作数栈是否有着正确的数据类型。但遗憾的是100%准确地判断一段字节码是否可以被安全执行是无法实现的因此该过程只是尽可能地检查出可以预知的明显的问题。如果在这个阶段无法通过检查虚拟机也不会正确装载这个类。但是如果通过了这个阶段的检查也不能说明这个类是完全没有问题的。 在前面3次检查中已经排除了文件格式错误、语义错误以及字节码的不正确性。但是依然不能确保类是没有问题的。\color{red}{在前面3次检查中已经排除了文件格式错误、语义错误以及字节码的不正确性。但是依然不能确保类是没有问题的。}在前面3次检查中已经排除了文件格式错误、语义错误以及字节码的不正确性。但是依然不能确保类是没有问题的。 符号引用的验证校验器还将进符号引用的验证。Class 文件在其常量池会通过字符串记录自己将要使用的其他类或者方法。因此在验证阶段虚拟机就会检查这些类或者方法确实是存在的\color{red}{虚拟机就会检查这些类或者方法确实是存在的}虚拟机就会检查这些类或者方法确实是存在的并且当前类有权限访问这些数据如果一个需要使用类无法在系统中找到则会抛出 NoClassDefFoundError如果一个方法无法被找到则会抛出 NoSuchMethodError。此阶段在解析环节才会执行。
3.2. 环节 2链接阶段之 Preparation准备
准备阶段Preparation简言之为类的静态变分配内存并将其初始化为默认值。\color{red}{准备阶段Preparation简言之为类的静态变分配内存并将其初始化为默认值。}准备阶段Preparation简言之为类的静态变分配内存并将其初始化为默认值。
当一个类验证通过时虚拟机就会进入准备阶段。在这个阶段虚拟机就会为这个类分配相应的内存空间并设置默认初始值。Java 虚拟机为各类型变量默认的初始值如表所示。
类型默认初始值byte(byte)0short(short)0int0long0Lfloat0.0fdouble0.0char\u0000booleanfalsereferencenull
Java 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。
注意 这里不包含基本数据类型的字段用staticfinal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。\color{red}{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。}这里不包含基本数据类型的字段用staticfinal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。 // 一般情况static final修饰的基本数据类型、字符串类型字面量会在准备阶段赋值
private static final String str Hello world;
// 特殊情况static final修饰的引用类型不会在准备阶段赋值而是在初始化阶段赋值
private static final String str new String(Hello world);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。 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。
3.3. 环节 3链接阶段之 Resolution解析
在准备阶段完成后就进入了解析阶段。解析阶段Resolution简言之将类、接口、字段和方法的符号引用转为直接引用。
具体描述
符号引用就是一些字面量的引用和虚拟机的内部数据结构和和内存布局无关。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。
举例
输出操作 System.out.println()对应的字节码
invokevirtual #24 java/io/PrintStream.println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。\color{red}{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。}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。 4. 过程三Initialization初始化阶段
4.1. static 与 final 的搭配问题
说明使用 static final 修饰的字段的显式赋值的操作到底是在哪个阶段进行的赋值 情况 1在链接阶段的准备环节赋值 情况 2在初始化阶段clinit()中赋值
结论 在链接阶段的准备环节赋值的情况 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 对于 String 来说如果使用字面量的方式赋值使用 static final 修饰的话则显式赋值通常是在链接阶段的准备环节进行 在初始化阶段clinit()中赋值的情况 排除上述的在准备环节赋值的情况之外的情况。
最终结论使用 staticfinal 修饰且显示赋值中不涉及到方法或构造器调用的基本数据类到或 String 类型的显式财值是在链接阶段的准备环节进行。
public static final int INT_CONSTANT 10; // 在链接阶段的准备环节赋值
public static final int NUM1 new Random().nextInt(10); // 在初始化阶段clinit()中赋值
public static int a 1; // 在初始化阶段clinit()中赋值public static final Integer INTEGER_CONSTANT1 Integer.valueOf(100); // 在初始化阶段clinit()中赋值
public static Integer INTEGER_CONSTANT2 Integer.valueOf(100); // 在初始化阶段clinit()中概值public static final String s0 helloworld0; // 在链接阶段的准备环节赋值
public static final String s1 new String(helloworld1); // 在初始化阶段clinit()中赋值
public static String s2 hellowrold2; // 在初始化阶段clinit()中赋值4.2. clinit()的线程安全性
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。
虚拟机会保证一个类的()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()方法其他线程都需要阻塞等待直到活动线程执行clinit()方法完毕。
正是因为函数clinit()带锁线程安全的\color{red}{函数clinit()带锁线程安全的}函数clinit()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。
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。
4.3. 类的初始化情况主动使用 vs 被动使用
Java 程序对类的使用分为两种主动使用和被动使用。
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。这里指的“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。 实例化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。 /*** 反序列化*/
Class Order implements Serializable {static {System.out.println(Order类的初始化);}
}public void test() {ObjectOutputStream oos null;ObjectInputStream ois null;try {// 序列化oos new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(order.dat));oos.writeObject(new Order());// 反序列化ois new ObjectInputStream(new FileOutputStream(order.dat));Order order ois.readObject();}catch (IOException e){e.printStackTrace();}catch (ClassNotFoundException e){e.printStackTrace();}finally {try {if (oos ! null) {oos.close();}if (ois ! null) {ois.close();}}catch (IOException e){e.printStackTrace();}}
}静态方法当调用类的静态方法时即当使用了字节码 invokestatic 指令。 静态字段当使用类、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 public class ActiveUse {Testpublic void test() {System.out.println(User.num);}
}class User {static {System.out.println(User类的初始化);}public static final int num 1;
}反射当使用 java.lang.reflect 包中的方法反射类的方法时。比如Class.forName(“com.atguigu.java.Test”) 继承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。 当 Java 虚拟机初始化一个类时要求它的所有父类都已经被初始化但是这条规则并不适用于接口。 在初始化一个类时并不会先初始化它所实现的接口在初始化一个接口时并不会先初始化它的父接口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。 default 方法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。 interface Compare {public static final Thread t new Thread() {{System.out.println(Compare接口的初始化);}}
}main 方法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。 VM 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。 MethodHandle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
被动使用
除了以上的情况属于主动使用其他的情况均属于被动使用。被动使用不会引起类的初始化。\color{red}{被动使用不会引起类的初始化。}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。\color{red}{并不是在代码中出现的类就一定会被加载或者初始化。}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。 静态字段当通过子类引用父类的静态变量不会导致子类初始化只有真正声明这个字段的类才会被初始化。 public class PassiveUse {Testpublic void test() {System.out.println(Child.num);}
}class Child extends Parent {static {System.out.println(Child类的初始化);}
}class Parent {static {System.out.println(Parent类的初始化);}public static int num 1;
}数组定义通过数组定义类引用不会触发此类的初始化 Parent[] parents new Parent[10];
System.out.println(parents.getClass());
// new的话才会初始化
parents[0] new Parent();引用常量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。 public class PassiveUse {public static void main(String[] args) {System.out.println(Serival.num);// 但引用其他类的话还是会初始化System.out.println(Serival.num2);}
}interface Serival {public static final Thread t new Thread() {{System.out.println(Serival初始化);}};public static int num 10;public static final int num2 new Random().nextInt(10);
}loadClass 方法调用 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。 Class clazz ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass(com.test.java.Person);扩展 -XX:TraceClassLoading追踪打印类的加载信息 5. 过程四类的 Using使用
任何一个类型在使用之前都必须经历过完整的加载、链接和初始化 3 个类加载步骤。一旦一个类型成功经历过这 3 个步骤之后便“厉事俱备只欠东风”就等着开发者使用了。
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。 6. 过程五类的 Unloading卸载
6.1. 类、类的加载器、类的实例之间的引用关系
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。
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。
6.2.类的生命周期
当 Sample 类被加载、链接和初始化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。
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。\color{red}{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。}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。
6.3. 具体例子 loader1 变量和 obj 变量间接应用代表 Sample 类的 Class 对象而 objClass 变量则直接引用它。
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。
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
6.4. 类的卸载
1启动类加载器加载的类型在整个运行期间是不可能被卸载的jvm 和 jls 规范
2被系统类加载器和扩展类加载器加载的类型在运行期间不太可能被卸载因为系统类加载器实例或者扩展类的实例基本上在整个运行期间总能直接或者间接的访问的到其达到 unreachable 的可能性极小。
3被开发者自定义的类加载器实例加载的类型只有在很简单的上下文环境中才能被卸载而且一般还要借助于强制调用虚拟机的垃圾收集功能才可以做到。可以预想稍微复杂点的应用场景中比如很多时候用户在开发自定义类加载器实例的时候采用缓存的策略以提高系统性能被加载的类型在运行期间也是几乎不太可能被卸载的至少卸载的时间是不确定的。
综合以上三点一个已经加载的类型被卸载的几率很小至少被卸载的时间是不确定的。同时我们可以看的出来开发者在开发代码时候不应该对虚拟机的类型卸载做任何假设的前提下来实现系统中的特定功能。
回顾方法区的垃圾回收
方法区的垃圾收集主要回收两部分内容常量池中废弃的常量和不再使用的类型。
HotSpot 虚拟机对常量池的回收策略是很明确的只要常量池中的常量没有被任何地方引用就可以被回收。
判定一个常量是否“废弃”还是相对简单而要判定一个类型是否属于“不再使用的类”的条件就比较苛刻了。需要同时满足下面三个条件
该类所有的实例都已经被回收。也就是Java堆中不存在该类及其任何派生子类的实例。\color{blue}{该类所有的实例都已经被回收。也就是Java堆中不存在该类及其任何派生子类的实例。}该类所有的实例都已经被回收。也就是Java堆中不存在该类及其任何派生子类的实例。加载该类的类加载器已经被回收。这个条件除非是经过精心设计的可替换类加载器的场景如OSGi、JSP的重加载等否则通常是很难达成的。\color{blue}{加载该类的类加载器已经被回收。这个条件除非是经过精心设计的可替换类加载器的场景如OSGi、JSP的重加载等否则通常是很难达成的。}加载该类的类加载器已经被回收。这个条件除非是经过精心设计的可替换类加载器的场景如OSGi、JSP的重加载等否则通常是很难达成的。该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用无法在任何地方通过反射访问该类的方法。\color{blue}{该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用无法在任何地方通过反射访问该类的方法。}该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用无法在任何地方通过反射访问该类的方法。
Java 虚拟机被允许对满足上述三个条件的无用类进行回收这里说的仅仅是“被允许”而并不是和对象一样没有引用了就必然会回收。
