1 開門見山

以前曾經(jīng)看到過一個java的面試題,當(dāng)時(shí)覺得此題很簡單，可是自己把代碼運(yùn)行起來,可是結(jié)果并不是自己想象的那樣。題目如下:

class SingleTon {
    private static SingleTon singleTon = new SingleTon();
    public static int count1;
    public static int count2 = 0;
 
    private SingleTon() {
        count1++;
        count2++;
    }
 
    public static SingleTon getInstance() {
        return singleTon;
    }
}
 
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        SingleTon singleTon = SingleTon.getInstance();
        System.out.println("count1=" + singleTon.count1);
        System.out.println("count2=" + singleTon.count2);
    }
}

錯誤答案

count1=1

count2=1

正確答案

count1=1

count2=0

為神馬？為神馬？這要從java的類加載時(shí)機(jī)說起。

2 類的加載時(shí)機(jī)

類從被加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中開始，直到卸載出內(nèi)存為止，它的整個生命周期包括了：加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化、使用和卸載這7個階段。其中，驗(yàn)證、準(zhǔn)備和解析這三個部分統(tǒng)稱為連接（linking）。

其中，加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、初始化和卸載這五個階段的順序是確定的，類的加載過程必須按照這種順序按部就班的“開始”（僅僅指的是開始，而非執(zhí)行或者結(jié)束，因?yàn)檫@些階段通常都是互相交叉的混合進(jìn)行，通常會在一個階段執(zhí)行的過程中調(diào)用或者激活另一個階段），而解析階段則不一定（它在某些情況下可以在初始化階段之后再開始，這是為了支持Java語言的運(yùn)行時(shí)綁定。

3 何時(shí)開始類的初始化

什么情況下需要開始類加載過程的第一個階段:"加載"。虛擬機(jī)規(guī)范中并沒強(qiáng)行約束，這點(diǎn)可以交給虛擬機(jī)的的具體實(shí)現(xiàn)自由把握，但是對于初始化階段虛擬機(jī)規(guī)范是嚴(yán)格規(guī)定了如下幾種情況，如果類未初始化會對類進(jìn)行初始化。

1. 創(chuàng)建類的實(shí)例
2. 訪問類的靜態(tài)變量(除常量【被final修辭的靜態(tài)變量】原因:常量一種特殊的變量，因?yàn)榫幾g器把他們當(dāng)作值(value)而不是域(field)來對待。如果你的代碼中用到了常變量(constant variable)，編譯器并不會生成字節(jié)碼來從對象中載入域的值，而是直接把這個值插入到字節(jié)碼中。這是一種很有用的優(yōu)化，但是如果你需要改變final域的值那么每一塊用到那個域的代碼都需要重新編譯。
3. 訪問類的靜態(tài)方法
4. 反射如(Class.forName("my.xyz.Test"))
5. 當(dāng)初始化一個類時(shí)，發(fā)現(xiàn)其父類還未初始化，則先出發(fā)父類的初始化
6. 虛擬機(jī)啟動時(shí)，定義了main()方法的那個類先初始化

以上情況稱為稱對一個類進(jìn)行“主動引用”，除此種情況之外，均不會觸發(fā)類的初始化，稱為“被動引用”

接口的加載過程與類的加載過程稍有不同。接口中不能使用static{}塊。當(dāng)一個接口在初始化時(shí)，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有真正在使用到父接口時(shí)（例如引用接口中定義的常量）才會初始化。

4 被動引用例子

• 子類調(diào)用父類的靜態(tài)變量，子類不會被初始化。只有父類被初始化。。對于靜態(tài)字段，只有直接定義這個字段的類才會被初始化.
• 通過數(shù)組定義來引用類，不會觸發(fā)類的初始化
• 訪問類的常量，不會初始化類

class SuperClass {
    static {
        System.out.println("superclass init");
    }
    public static int value = 123;
}
 
class SubClass extends SuperClass {
    static {
        System.out.println("subclass init");
    }
}
 
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(SubClass.value);// 被動應(yīng)用1
        SubClass[] sca = new SubClass[10];// 被動引用2
    }
}

程序運(yùn)行輸出

superclass init

123

從上面的輸入結(jié)果證明了被動引用1與被動引用2

class ConstClass {
    static {
        System.out.println("ConstClass init");
    }
    public static final String HELLOWORLD = "hello world";
}
 
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);// 調(diào)用類常量
    }
}

程序輸出結(jié)果

hello world

從上面的輸出結(jié)果證明了被動引用3

5 類的加載過程

5.1 加載

“加載”(Loading)階段是“類加載”(Class Loading)過程的第一個階段，在此階段，虛擬機(jī)需要完成以下三件事情：

• 1、通過一個類的全限定名來獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流。
• 2、將這個字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 3、在Java堆中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象，作為方法區(qū)這些數(shù)據(jù)的訪問入口。

加載階段即可以使用系統(tǒng)提供的類加載器在完成，也可以由用戶自定義的類加載器來完成。加載階段與連接階段的部分內(nèi)容(如一部分字節(jié)碼文件格式驗(yàn)證動作)是交叉進(jìn)行的，加載階段尚未完成，連接階段可能已經(jīng)開始。

5.2驗(yàn)證

驗(yàn)證是連接階段的第一步，這一階段的目的是為了確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并且不會危害虛擬機(jī)自身的安全。

Java語言本身是相對安全的語言，使用Java編碼是無法做到如訪問數(shù)組邊界以外的數(shù)據(jù)、將一個對象轉(zhuǎn)型為它并未實(shí)現(xiàn)的類型等，如果這樣做了，編譯器將拒絕編譯。但是，Class文件并不一定是由Java源碼編譯而來，可以使用任何途徑，包括用十六進(jìn)制編輯器(如UltraEdit)直接編寫。如果直接編寫了有害的“代碼”(字節(jié)流)，而虛擬機(jī)在加載該Class時(shí)不進(jìn)行檢查的話，就有可能危害到虛擬機(jī)或程序的安全。

不同的虛擬機(jī)，對類驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)可能有所不同，但大致都會完成下面四個階段的驗(yàn)證：文件格式驗(yàn)證、元數(shù)據(jù)驗(yàn)證、字節(jié)碼驗(yàn)證和符號引用驗(yàn)證。

• 1、文件格式驗(yàn)證，是要驗(yàn)證字節(jié)流是否符合Class文件格式的規(guī)范，并且能被當(dāng)前版本的虛擬機(jī)處理。如驗(yàn)證魔數(shù)是否0xCAFEBABE；主、次版本號是否正在當(dāng)前虛擬機(jī)處理范圍之內(nèi)；常量池的常量中是否有不被支持的常量類型……該驗(yàn)證階段的主要目的是保證輸入的字節(jié)流能正確地解析并存儲于方法區(qū)中，經(jīng)過這個階段的驗(yàn)證后，字節(jié)流才會進(jìn)入內(nèi)存的方法區(qū)中存儲，所以后面的三個驗(yàn)證階段都是基于方法區(qū)的存儲結(jié)構(gòu)進(jìn)行的。
• 2、元數(shù)據(jù)驗(yàn)證，是對字節(jié)碼描述的信息進(jìn)行語義分析，以保證其描述的信息符合Java語言規(guī)范的要求。可能包括的驗(yàn)證如：這個類是否有父類；這個類的父類是否繼承了不允許被繼承的類；如果這個類不是抽象類，是否實(shí)現(xiàn)了其父類或接口中要求實(shí)現(xiàn)的所有方法……
• 3、字節(jié)碼驗(yàn)證，主要工作是進(jìn)行數(shù)據(jù)流和控制流分析，保證被校驗(yàn)類的方法在運(yùn)行時(shí)不會做出危害虛擬機(jī)安全的行為。如果一個類方法體的字節(jié)碼沒有通過字節(jié)碼驗(yàn)證，那肯定是有問題的；但如果一個方法體通過了字節(jié)碼驗(yàn)證，也不能說明其一定就是安全的。
• 4、符號引用驗(yàn)證，發(fā)生在虛擬機(jī)將符號引用轉(zhuǎn)化為直接引用的時(shí)候，這個轉(zhuǎn)化動作將在“解析階段”中發(fā)生。驗(yàn)證符號引用中通過字符串描述的權(quán)限定名是否能找到對應(yīng)的類；在指定類中是否存在符合方法字段的描述符及簡單名稱所描述的方法和字段；符號引用中的類、字段和方法的訪問性(private、protected、public、default)是否可被當(dāng)前類訪問

驗(yàn)證階段對于虛擬機(jī)的類加載機(jī)制來說，不一定是必要的階段。如果所運(yùn)行的全部代碼確認(rèn)是安全的，可以使用-Xverify：none參數(shù)來關(guān)閉大部分的類驗(yàn)證措施，以縮短虛擬機(jī)類加載時(shí)間。

5.3準(zhǔn)備

準(zhǔn)備階段是為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存并將其初始化為默認(rèn)值，這些內(nèi)存都將在方法區(qū)中進(jìn)行分配。準(zhǔn)備階段不分配類中的實(shí)例變量的內(nèi)存，實(shí)例變量將會在對象實(shí)例化時(shí)隨著對象一起分配在Java堆中。

public static int value=123;//在準(zhǔn)備階段value初始值為0 。在初始化階段才會變?yōu)?23 。

5.4 解析

解析階段是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號引用替換為直接引用的過程。

符號引用（Symbolic Reference）：符號引用以一組符號來描述所引用的目標(biāo)，符號可以是任何形式的字面量，只要使用時(shí)能無歧義地定位到目標(biāo)即可。符號引用與虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存布局無關(guān)，引用的目標(biāo)并不一定已經(jīng)加載到內(nèi)存中。

直接引用（Direct Reference）：直接引用可以是直接指向目標(biāo)的指針、相對偏移量或是一個能間接定位到目標(biāo)的句柄。直接引用是與虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存布局相關(guān)的，如果有了直接引用，那么引用的目標(biāo)必定已經(jīng)在內(nèi)存中存在。

5.5 初始化

類初始化是類加載過程的最后一步，前面的類加載過程，除了在加載階段用戶應(yīng)用程序可以通過自定義類加載器參與之外，其余動作完全由虛擬機(jī)主導(dǎo)和控制。到了初始化階段，才真正開始執(zhí)行類中定義的Java程序代碼。

初始化階段是執(zhí)行類構(gòu)造器<clinit>()方法的過程。<clinit>()方法是由編譯器自動收集類中的所有類變量的賦值動作和靜態(tài)語句塊(static{}塊)中的語句合并產(chǎn)生的。

6 題目分析

上面很詳細(xì)的介紹了類的加載時(shí)機(jī)和類的加載過程，通過上面的理論來分析本文開門見上的題目

class SingleTon {
    private static SingleTon singleTon = new SingleTon();
    public static int count1;
    public static int count2 = 0;
 
    private SingleTon() {
        count1++;
        count2++;
    }
 
    public static SingleTon getInstance() {
        return singleTon;
    }
}
 
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        SingleTon singleTon = SingleTon.getInstance();
        System.out.println("count1=" + singleTon.count1);
        System.out.println("count2=" + singleTon.count2);
    }
}

分析:

• 1:SingleTon singleTon = SingleTon.getInstance();調(diào)用了類的SingleTon調(diào)用了類的靜態(tài)方法，觸發(fā)類的初始化
• 2:類加載的時(shí)候在準(zhǔn)備過程中為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存并初始化默認(rèn)值 singleton=null count1=0,count2=0
• 3:類初始化化，為類的靜態(tài)變量賦值和執(zhí)行靜態(tài)代碼快。singleton賦值為new SingleTon()調(diào)用類的構(gòu)造方法
• 4:調(diào)用類的構(gòu)造方法后count=1;count2=1
• 5:繼續(xù)為count1與count2賦值,此時(shí)count1沒有賦值操作,所有count1為1,但是count2執(zhí)行賦值操作就變?yōu)?附錄：

附錄：

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。