JAVA类加载与JAVA对象创建

骑猪看日落 2024-04-17 06:07 59阅读 0赞

可能都知道“为什么类变量可以不依赖对象而直接使用？”，但不一定都知道背后的原因。其实这与类加载和JAVA对象创建的机制有关系。

# 第一部分：类加载 #

## 1.1 类加载的步骤 ##

JAVA文件被javac经过javac编译器处理之后成为二进制的class文件。而该二进制文件可以通过不同平台的jvm进行执行(也就实现了跨平台）。

二进制class文件如何成为内存当中可以使用的Java类。在JAVA类完整的生命周期当中，主要经过三个大的部分：加载、连接和初始化。其中连接又包括验证、准备和解析。

> **加载 -->验证 -->准备 -->解析 -->初始化** \-->使用 -->GC

**加载**：将二进制class文件读取到内存当中，此处的加载仅仅是指文件的加载。此步骤最终会在方法区生成一个代表该类的Class对象，作为方法区中国该类各种数据的访问入口。

**验证**：验证该二进制文件是否是是JAVA类文件，是否符合当前虚拟机的要求，是否存在安全危害；

**准备**：对类变量`static`和静态常量`static + final`分配内存，并对静态变量进行赋值操作，注意类变量的复制操作不在此阶段完成。此处使用的是方法区的内存。

**解析**：将符号引用解析成为直接饮用。在class的二进制文件中，例如类名、方法名称、变量名称等可能都是符号引用，在此步骤中都需要解析为直接引用。如果对符号引用和直接引用不清楚的，可以参考《JAVA虚拟机》；

**初始化**：该步骤才是按照程序员设计进行执行代码的部分。把**静态static代码块中的语句**和**类变量的赋值语句**共同组成`<clinit>`方法并执行。注意静态代码块的执行顺序是按照定义的先后顺序执行的，不能未定义先引用。

到此处类的加载已经完成了。类变量、类中的常量、已被加载的类信息都存放在**方法区**。

## 1.2 类加载的时机 ##

### 主动引用 ###

（1）遇到new、putstatic、getstatic、invokestatic这四条指令，如果类未初始化，则必须先初始化。其对应的场景是：new一个对象；读取或设置类变量(不包括常量，常量已经被在编译器将结果放在常量池）；调用一个类的静态方法。

（2）当初始化一个类，如果发现其父类还没有初始化，则首先初始化其父类

（3）虚拟机启动时，会首先初始化用户指定的要执行的主类(包含main()方法的类）

（4）使用java.lang.reflect包对类进行反射调用时，如果该类没有初始化，会首先触发初始化

### 被动引用 ###

（1）通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类的初始化  
`System.out.print( SubClass.value )` // value字段不在SubClass中定义，在其父类中定义的

（2）通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。该过程会对数组类进行初始化，数组类是由JVM自动生成的、直接继承自Object的子类，其中包含了数组的属性和方法  
`SuperClass [] sca = new SuperClass[10]`

（3）常量的引用不会触发类加载。

# 第二部分 创建对象 #

其实在第一部分已经一定程度解释了为什么类变量可以不依赖对象，因为类加载的过程中，所有的类变量已经在方法区分配内存并初始化。下面具体看看创建对象的过程，看看对象和类变量有什么区别。

## 2.1 创建对象的过程 ##

创建对象包括类加载检查、内存分配、初始化零值、设置对象头、执行`init`方法。

### 2.1.1 类加载检查 ###

虚拟机遇到一条new指令时，检查类是否已经被加载过、解析过和初始化过(也就是上面第一部分的内容)。如果没有，首先需要先执行相应的类加载过程。

### 2.1.2 分配内存 ###

对象的内存分配是在堆上，注意类加载信息、常量和类变量的内存分配是在方法区上完成的。内存分配的分配大小在类加载完成之后即可以确定。

I、内存分配的方式也有两种：**指针碰撞**和**空闲链表**。

具体使用哪一种的内存分配方式，取决于JAVA堆内存是否规整。如果使用标记-整理和复制算法的垃圾回收算法，内存规整，适合使用指针碰撞。关于垃圾回收器可以参考其他文章，Serial、ParNew都是内存规整的垃圾回收算法，而CMS则会导致堆内存不规整。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>指针碰撞</th> 
   <th>空闲列表</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>原理</td> 
   <td>用过的内存全部整合在一边，没有用过的内存在另一边，中间有一个分界指针。只需要将指针向没有用过的内存方向移动对象内存大小位置即可</td> 
   <td>虚拟机会维护一个列表，该列表中会记录哪些内存块是可用的。在分配内存时候，找一块足够大的内存划分给对象实例。最后更新列表记录</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>适用场景</td> 
   <td>内存规整</td> 
   <td>内存不规整</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>GC收集器</td> 
   <td>Serial、ParNew</td> 
   <td>CMS</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

II、补充一点，对象访问的方式也有两种：**直接访问**和**句柄模式**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>直接访问</th> 
   <th>句柄模式</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>示意图</td> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20190826155648398.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xvb25na2luZ3doYXQ=,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="在这里插入图片描述"></td> 
   <td><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20190826155610437.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xvb25na2luZ3doYXQ=,size_16,color_FFFFFF,t_70" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>说明</td> 
   <td>对象直接指向位于JAVA堆的对象实例数据，对象实例数据中包含对象类型数据的指针，该指针指向位于方法取的对象类型数据</td> 
   <td>对象指向句柄，句柄指向实际的数据。每个对象都有句柄，句柄中有指向堆中对象实例数据的指针，也有指向方法区中对象类型数据的指针。所有对象的句柄统一存放在句柄池中</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

III、**内存分配的并发问题**  
在创建对象时，必须保证线程安全，这是由JAVA虚拟机来保证的，具体的方式也有两种。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>CAS+失败重试</th> 
   <th>TLAB</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>原理</td> 
   <td>CAS是乐观锁的一种实现方式，也就是在不加锁的情况下，假设不会冲突而直接去操作，当发生冲突操作失败就重试</td> 
   <td>为每一个线程预先在新生代分配一块内存，JAVA虚拟机在给线程中的对象分配内存时，首先在TLAB分配，当对象大于TLAB中剩余内存或TLAB内存已经用尽的时候，再采用CAS+失败重试</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 2.1.3 初始化零值 ###

对象在JAVA堆上的内存分配完成之后，虚拟机需要将分配的内存空间都初始化为零值(不包括对象头)。此处的零值不是真的0，是实例变量对应数据类型的零值。**这一步操作保证了对象的实例变量在JAVA代码中可以不赋初值而直接使用。**

### 2.1.4 设置对象头 ###

参考[「洞玄之境」的博客][Link 1]，在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>序号</th> 
   <th>组成部分</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1</td> 
   <td>对象头（Header）</td> 
   <td>标示对象所属类、对象锁状态、元数据等</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2</td> 
   <td>实例数据（Instance Data）</td> 
   <td>对象真正存储的有效信息</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>3</td> 
   <td>对齐填充（Padding）</td> 
   <td>JVM要求对象的大小必须是8字节的整数倍，对象头已经满足，则当对象的实例数据部分没有对齐时，需要对齐填充来补全。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

初始化零值之后，虚拟机要对**对象头**进行必要的设置，也就是上面的三个部分，对象头的实际组成也分为三块：

*  **Mark Word** ：存储对象的hashcode或锁信息(1字宽)
 *  **Class Metadata Address**:类型指针(1字宽)：  
    即是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
 *  **Array Length**:数组长度(1字宽)：如果当前对象是数组

### 2.1.4 执行init方法 ###

`<init>`是instance实例构造器，对非静态变量解析初始化。由**实例变量的赋值语句**和**非静态代码块中的代码**组成。注意，在类加载过程的最后一步初始化中执行的是`<clinit>`，是由编译器自动收集类中的所有**类变量的赋值动作**和**静态语句块（static\{\}块）中的语句**合并产生的。

因此他们的组成部分是不一样的，举一个[来自其他博主的栗子][Link 2]。

class X {
    
       static Log log = LogFactory.getLog(); // <clinit>
    
       private int x = 1;   // <init>
    
       X(){
          // <init>
       }
    
       static {
          // <clinit>
       }
    
    }

# 总结 #

通过类加载，二进制文件进入JAVA运行时内存区，并且完成了类变量和常量的初始化，符号引用替换为直接引用，最后执行`<clinit>`进行类初始化。

通过创建对象，在JAVA堆上创建new对应的对象实例。对象实例的创建过程依赖于上面的类加载过程，后面还依次有内存分配、初始化零值、设置对象头和执行`<init>`进行实例对象的初始化。

将过程和内存分配结合起来，更加有利于理解。加载过程是将类的常量等放在方法区的常量池，类变量和已加载的类信息放在方法区。创建对象时候，对象是放在JAVA堆上，包括对象头和实例数据等。访问一个对象可以由reference直接指向对象实例，对象实例有有指针，指向位于方法区的对象类型数据；也可以是reference指向句柄，由句柄分别指向对象实例数据和对象类型数据。

[Link 1]: https://blog.csdn.net/hefenglian/article/details/82391818
[Link 2]: https://blog.csdn.net/u013309870/article/details/72975536