Java类的初始化时机

2018-04-10 本文已影响113人 NoahU

一个Java对象的创建过程往往包括类初始化和类实例化两个阶段。本文讨论的是『类初始化』的时机，以及利用这一特点实现单例模式的方法。

概述

我们知道，一个.java文件在编译后会形成相应的一个或多个Class文件（若一个类中含有内部类，则编译后会产生多个Class文件），但这些Class文件中描述的各种信息，最终都需要加载到虚拟机中之后才能被运行和使用。事实上，虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验，转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型的过程就是虚拟机的 类加载机制。

类加载的时机

Java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)
卸载(Unloading)

这七个阶段。其中准备、验证、解析3个部分统称为连接（Linking），如图所示：

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）。

那么现在来回答这个问题：虚拟机什么时候才会加载Class文件并初始化类呢？

什么情况下虚拟机需要开始加载一个类呢？虚拟机规范中并没有对此进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。

而类初始化时机比较复杂，下面我们具体来说。

类初始化时机

在虚拟机规范中是有严格规定的，虚拟机规范指明有且只有五种情况必须立即对类进行初始化（而这一过程自然发生在加载、验证、准备之后）：

遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先对其进行初始化。生成这四条指令的最常见的Java代码场景是：
- 使用new关键字实例化对象的时候；
- 读取或设置一个类的静态字段（被final修饰，已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候；
- 调用一个类的静态方法的时候
使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
当初始化一个类的时候，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。
当使用jdk1.7动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getstatic,REF_putstatic,REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行初始化，则需要先出触发其初始化

注意，对于这五种会触发类进行初始化的场景，虚拟机规范中使用了一个很强烈的限定语：“有且只有”，这五种场景中的行为称为对一个类进行 主动引用。除此之外，所有引用类的方式，都不会触发初始化，称为被动引用。

主动使用的简易版本说明

类的初始化时机就是在"在首次主动使用时"，那么，哪些情形下才符合首次主动使用的要求呢？首次主动使用的情形：

创建某个类的新实例时--new、反射、克隆或反序列化；
调用某个类的静态方法时；
使用某个类或接口的静态字段或对该字段赋值时（final字段除外）；
调用Java的某些反射方法时
初始化某个类的子类时
在虚拟机启动时某个含有main()方法的那个启动类。

除了以上几种情形以外，所有其它使用JAVA类型的方式都是被动使用的，他们不会导致类的初始化。

被动引用的几种经典场景

通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化：newarray指令触发的只是数组类型本身的初始化，而不会导致其相关类型的初始化，比如，new String[]只会直接触发String[]类的初始化，也就是触发对类[Ljava.lang.String的初始化，而直接不会触发String类的初始化
常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化

实现单例模式

利用类初始化的特点，我们可以实现线程安全的单例模式（不使用synchronized）。

饿汉式 static final field

这种方法非常简单，因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了，在第一次加载类到内存中时就会初始化，所以创建实例本身是线程安全的。

public class Singleton{
    //类加载时就初始化
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

这种写法的缺点是它不是一种懒加载模式（lazy initialization），单例会在加载类后一开始就被初始化，即使客户端没有调用 getInstance()方法。
饿汉式的创建方式在一些场景中将无法使用：譬如 Singleton 实例的创建是依赖参数或者配置文件的，在 getInstance() 之前必须调用某个方法设置参数给它，那样这种单例写法就无法使用了。

静态内部类 static nested class

下面这种方法既是线程安全的，又是Lazy加载的。

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE; 
    }  
}

这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题；由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法访问它，因此它是懒汉式的；同时读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；也不依赖 JDK 版本。