Java类加载机制举例

Question

先看一个例子：

class Singleton {

    public static Singleton singleton = new Singleton();     
    public static int a;     
    public static int b = 0;     
    
    private Singleton() {
        super();
        a++;     
        b++;     
    }     
    
    public static Singleton GetInstance() {     
        return singleton;     
    }     
}     
    
public class MyTest {     
    public static void main(String[] args) {     
        Singleton mysingleton = Singleton.GetInstance();     
        System.out.println(mysingleton.a);     
        System.out.println(mysingleton.b);     
    }     
}   

以上输出为 a=1, b=0

为什么？
这里涉及到JAVA类加载的过程：

JAVA类加载的过程

先说结论

• 类在JVM中会经历数个阶段，作为程序员主要关注的是准备和初始化阶段；注意，此处是类的初始化，并非类的实例化；
• 准备阶段会确定类中有哪些类变量（static修饰），并赋予其零值：
  image
• 类的初始化阶段则对这些变量进行初始化赋值，即代码中声明的值；注意，类的初始化过程中一般只会对static修饰的变量进行赋值；
• 类的初始化过程中，如果包含嵌套初始化，且内嵌的变量就是该类的实例（比如：public static Singleton singleton = new Singleton()），那么虚拟机会将实例初始化嵌入到静态初始化中；
• 如果有static final修饰的变量，则该变量会在准备阶段就被赋值；

类在JVM中的工作原理

注： 以下工作原理的叙述摘自JVM类加载初始化学习笔记，更详细的描述参见importnew，Java虚拟机9：Java类加载机制

要想使用一个Java类为自己工作，必须经过以下几个过程：

• 类加载load：

从字节码二进制文件——.class文件将类加载到内存，从而达到类的从硬盘上到内存上的一个迁移，所有的程序必须加载到内存才能工作。将内存中的class放到运行时数据区的方法区内，之后在堆区建立一个java.lang.Class对象，用来封装方法区的数据结构。这个时候就体现出了万事万物皆对象了，干什么事情都得有个对象。就是到了最底层究竟是鸡生蛋，还是蛋生鸡呢?类加载的最终产物就是堆中的一个java.lang.Class对象。

• 连接

验证：出于安全性的考虑，验证内存中的字节码是否符合JVM的规范，类的结构规范、语义检查、字节码操作是否合法、这个是为了防止用户自己建立一个非法的XX.class文件就进行工作了，或者是JVM版本冲突的问题，比如在JDK6下面编译通过的class(其中包含注解特性的类)，是不能在JDK1.4的JVM下运行的。

准备：准备阶段是正式为类变量分配内存并设置其初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中分配。关于这点，有两个地方注意一下：

1、这时候进行内存分配的仅仅是类变量（被static修饰的变量），而不是实例变量，实例变量将会在对象实例化的时候随着对象一起分配在Java堆中

2、这个阶段赋初始值的变量指的是那些不被final修饰的static变量，比如"public static int value = 123;"，value在准备阶段过后是0而不是123，给value赋值为123的动作将在初始化阶段才进行；比如"public static final int value = 123;"就不一样了，在准备阶段，虚拟机就会给value赋值为123。

解析：把类的符号引用转为直接引用(保留)

• 类的初始化：

将类的静态变量赋予正确的初始值，这个初始值是开发者自己定义时赋予的初始值，而不是默认值；此处是初始化类，并非实例化类。

类的主动使用与被动使用

以下是视为主动使用一个类，其他情况均视为被动使用!

• 最为常用的new一个类的实例对象(声明不是主动使用, 如public ClassA ca;中并未进行ClassA的初始化)
• 对类的静态变量进行读取、赋值操作的。
• 直接调用类的静态方法。
• 反射调用一个类的方法。
• 初始化一个类的子类的时候，父类也相当于被程序主动调用了；如果调用子类的静态变量是从父类继承过来并没有复写的，那么也就相当于只用到了父类的东东，和子类无关，所以这个时候子类不需要进行类初始化。
• 直接运行一个main函数入口的类（这里注意不要在被测试类中运行main，即上述例子中不要在Singleton中写main函数来测试类的初始化过程。）

所有的JVM实现在首次主动调用类和接口的时候才会初始化他们。

Answer：

解答上面的例子为什么输出是a=1, b=0:

• 声明中singleton/a/b均为static变量，这些变量会在连接-准备阶段进行内存分配，初始化默认值（类型的默认值），此时Singleton的a与b已创建，a与b值为类型默认值0，singleton是默认值null，声明中的new Singleton()此时并不会执行；
• main函数中调用Singleton.GetInstence()，这里进行类静态方法的调用，视为主动使用，因此进行类的初始化，初始化时依次执行singleton = new Singleton()和b = 0，由于在new Singleton()中执行了a++; b++，此时a = 1, b = 1；接着执行b = 0，又对b进行赋值，因此最后b的值为0；

扩展例子一

此例来自Java虚拟机类加载机制——案例分析

public class StaticTest {
    public static void main(String[] args) {
        staticFunction();
    }

    static StaticTest st = new StaticTest();

    static {
        System.out.println("1");
    }

    {
        System.out.println("2");
    }

    StaticTest() {
        System.out.println("3");
        System.out.println("a=" + a + ",b=" + b);
    }

    public static void staticFunction() {
        System.out.println("4");
    }

    int a=110;
    static int b =112;
}

在上述例子中，StaticTest类会被初始化，类初始化过程中遇到static StaticTest st = new StaticTest();，此处就会进行new StaticTest()，形成一个嵌套的初始化，所以这种特殊情况，根据上面的说明，会导致执行到此时进入嵌套内部，进行new StaticTest()即实例的初始化；实例的初始化过程中执行了初始化代码块static { System.out.println("1"); }和int a = 110;以及构造函数StaticTest() {...}；之后回到类初始化，接着进行类变量的初始化赋值，这样一来就形成了实例初始化在静态初始化之前的诡异局面；因此输出结果是：

2
3
a=110, b=0
1
4