java类的生命周期

一头代码

于 2025-02-12 16:54:21 发布

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1.加载阶段

在Java类的生命周期中，**加载阶段（Loading）**是类生命周期的第一个阶段，指的是JVM将类的字节码文件从外部（通常是硬盘或其他存储介质）加载到内存中的过程。加载阶段涉及到类加载器（ClassLoader）从类路径中找到相应的类文件，并将其加载到JVM内存中以便后续使用。

加载阶段的主要步骤：

请求加载：
- 当JVM遇到一个尚未加载的类时（例如通过代码中的new关键字、方法调用等），它会请求类加载器来加载该类。
- 例如，在程序执行到某个地方需要使用Example类时，JVM会通过类加载器请求加载Example类。
查找类文件：
- 类加载器通过类路径（classpath）查找指定的类文件。在classpath中，类加载器会查找与该类名相对应的.class文件。
- 如果类是在JAR文件或其他包中，类加载器也会搜索JAR文件或其他包中的相应类。
加载类字节码：
- 一旦类加载器找到了相应的.class文件，它就会将该类的字节码加载到JVM的内存中。
- 类的字节码是二进制格式的，它包含了类的结构信息，如类的字段、方法、常量池等。
创建类的Class对象：
- 在字节码加载到内存后，JVM会为该类创建一个Class对象。这个Class对象包含了类的元数据，例如类的名称、父类、实现的接口、方法、字段等。
- 通过Class对象，程序可以在运行时动态访问类的信息（反射机制）。

类加载的过程可以分为以下几个具体的步骤：

1. 加载类的字节码

类加载器：JVM使用类加载器来加载类。类加载器从类路径中查找并读取类的字节码，通常会有不同类型的类加载器，如：
- Bootstrap ClassLoader：负责加载JDK的核心库（如java.lang.*）。
- Extension ClassLoader：负责加载JDK扩展库中的类。
- System ClassLoader：负责加载用户程序中的类（通常是应用程序的类路径）。
如果类加载器没有找到类，它会抛出ClassNotFoundException。

2. 加载类的元数据

一旦字节码被加载到内存，JVM会解析并存储类的元数据，包括字段、方法、常量池、接口、父类等信息。此时，类的信息存储在JVM的方法区（在JDK8之前是永久代，JDK8以后是元空间）中。

3. 分配内存

JVM为类的字段、方法等分配内存空间，准备在后续的连接阶段使用。
在此阶段，类的静态变量并不会被初始化。静态变量的初始化将在后续的初始化阶段进行。

4. 返回Class对象

每个被加载的类都有一个Class对象，Class对象是Java反射机制的一部分。通过这个对象，可以在运行时访问类的结构、字段、方法等信息。

加载阶段与其他阶段的关系：

加载阶段与后续的验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）等阶段不同，它只是单纯地将类的字节码加载到JVM内存中。类的结构会在后续的连接阶段和初始化阶段中进一步处理。

类加载器的作用：

类加载器的作用非常重要，它负责从类路径中查找并加载类文件。在加载类时，JVM会根据类加载器的机制来决定如何加载不同的类。类加载器有几种类型，它们的职责如下：

引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）：
- 加载JVM的核心类库，如rt.jar中的类（例如java.lang.Object、java.util.*等）。
- 它由C++编写，无法直接使用Java编写。
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：
- 加载JDK的扩展类库，如jre/lib/ext目录下的类。
系统类加载器（System ClassLoader）：
- 加载应用程序类路径（classpath）下的类。
自定义类加载器：
- 用户可以根据需要自己实现类加载器，提供特殊的类加载方式，如从网络加载类、从数据库加载类等。

加载阶段小结：

加载阶段的关键任务是将类的字节码从外部（如磁盘）加载到JVM的内存中。
加载阶段是类生命周期的起点，涉及到类加载器的工作、字节码的读取和类的Class对象的创建。
类加载是延迟的，只有在类被第一次引用时，JVM才会加载类。

2.连接阶段

在Java类的生命周期中，**连接阶段（Linking）是继加载（Loading）**之后的第二个阶段，它包括三个重要的子阶段：验证（Verification）、准备（Preparation）和解析（Resolution）。这个阶段的目的是确保类的字节码是合法的并准备好可以在JVM中使用。

连接阶段的三个子阶段：

1. 验证（Verification）

验证是对加载的字节码进行合法性检查，确保它符合Java虚拟机规范，不会对JVM的稳定性和安全性构成威胁。
验证阶段主要有以下几个方面：
- 文件格式验证：检查字节码是否符合Java虚拟机的规范（如魔数0xCAFEBABE、常量池的有效性等）。
- 结构验证：确保类的内部结构（如字段、方法等）是合法的，符合JVM的规范。
- 类型验证：检查类的方法、字段等的数据类型是否正确，是否有可能导致类型转换错误。
- 符号引用验证：确保类中使用的符号引用能够在类加载过程中正确地解析。

这个阶段的目的是防止恶意的字节码（例如，由反编译工具或恶意修改的字节码）破坏JVM的安全性或导致运行时错误。

2. 准备（Preparation）

准备阶段是为类的静态变量分配内存并赋予默认值的过程。此时并不会执行类的初始化操作（即静态变量不会被赋予实际的初值），只是简单地为静态变量分配内存并赋予默认值。
静态变量的默认值：
- 基本数据类型（如int、float）会被赋予其类型的默认值（例如int的默认值是0，boolean的默认值是false）。
- 对象引用类型（如String）会被赋值为null。
- 对于数组，所有元素的默认值也是类型的默认值。
- static final 修饰成员变量会被赋予实际值

需要注意的是，这一阶段并不会初始化静态变量的实际值，而只是为它们分配内存。静态变量的实际初始化会在初始化阶段发生。

3. 解析（Resolution）

解析是将类中的符号引用转换为实际的内存地址或直接引用的过程。
符号引用是类、方法、字段等在字节码中的表示，它们在类加载时会被引用解析为实际的内存地址，确保JVM能够找到实际的代码和数据。
- 类的解析：类的符号引用被转换为内存中的类对象。
- 字段的解析：字段的符号引用被解析为字段的内存位置。
- 方法的解析：方法的符号引用被解析为实际的方法地址。

解析过程中，JVM会遍历类中的所有符号引用，确保它们在内存中能找到对应的对象、方法或字段。如果某个符号引用无法解析（比如引用的类或方法不存在），就会抛出ClassNotFoundException或NoSuchMethodException等异常。

连接阶段小结

连接阶段的目的是将类加载到JVM后，确保它是合法的，并准备好类的静态信息和符号引用。这个阶段包括三个子阶段：

验证：检查字节码是否符合JVM的规范，确保没有安全漏洞。
准备：为类的静态变量分配内存，并赋予默认值。
解析：将类中的符号引用（类、字段、方法）转换为实际的内存地址。

这三个阶段为类的初始化和执行做了充分的准备，确保了类在运行时的正确性和效率。

3.初始化阶段

在Java类的生命周期中，初始化阶段是继加载阶段和连接阶段（包括验证、准备、解析）之后的最后一个阶段，主要涉及类的静态变量的初始化和类的初始化块（如果存在）执行的过程。

初始化阶段的关键点：

静态变量初始化：
- 在初始化阶段，JVM会为类的静态变量赋值。静态变量是属于类本身的，而不是类的实例，它们在类的加载时就被分配内存，并且会被赋予默认值（如0、false、null等）。但是，它们的实际初始值是由静态初始化块或类构造器中的代码赋予的。
静态初始化块执行：
- 如果类有静态初始化块（static {}），JVM会在初始化阶段执行这些静态代码块。静态代码块只会在类加载时执行一次。
类初始化：
- 类的初始化是通过类初始化过程来完成的，这个过程通常会在第一次访问类的静态成员（字段、方法）时触发，或者在实例化类时触发。

初始化阶段的详细过程：

静态变量初始化：
- 在类的初始化阶段，JVM会根据类的字节码为静态字段分配内存，并为这些字段赋值。
- 如果某个静态字段没有显式赋值，它会被赋予类型的默认值（例如，0、false、null等）。
执行静态初始化块（static {}）：
- 如果类中定义了静态代码块（static关键字修饰的代码块），JVM会在类加载之后，初始化之前执行这些代码。
- 静态代码块通常用于初始化静态变量、进行资源配置、日志初始化等操作。
- 这些静态初始化块只会在类加载时执行一次。
例如：
```
public class MyClass {
    static int count;
    
    static {
        count = 10;
        System.out.println("Static block executed. count = " + count);
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Main method executed.");
    }
}
```
输出结果：
```
Static block executed. count = 10
Main method executed.
```
- 在上面的例子中，静态块在类初始化时执行，所以在main方法输出之前，静态块已经被执行。
类初始化触发条件：
类的初始化并不会在类加载时立即发生，而是由以下几种情况触发：
- 调用类的static代码块：在类的静态代码块中进行初始化时，会触发类的初始化。
- 创建类的实例：当创建类的对象时，如果类还没有初始化，JVM会初始化该类。
- 首次访问类的静态成员（字段或方法）：类的初始化会在第一次引用静态字段或调用静态方法时触发。（注意：如果调用的是用static final 修饰的成员，则不会触发类的初始化）
静态字段赋值和静态初始化块执行顺序：
- 如果类有静态变量的显式赋值以及静态初始化块，JVM会按照静态变量赋值和静态代码块执行的顺序依次进行初始化。
例如：
```
public class Test {
    static int x = 5;
    static int y;

    static {
        y = 10;
        System.out.println("Static block executed. y = " + y);
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Main method executed. x = " + x);
    }
}
```
输出结果：
```
Static block executed. y = 10
Main method executed. x = 5
```
- 在上面的代码中，x和y是静态变量，x会在声明时被赋值为5，而y在静态块中被赋值为10，静态块在类初始化时被执行。