【从零开始学习JVM | 第三篇】类的生命周期（高频面试）

前言：

在Java编程中，类的生命周期是指类从被加载到内存中开始，到被卸载出内存为止的整个过程。了解类的生命周期对于理解Java程序的运行机制以及性能优化非常重要。

在本文中，我们将深入探讨类的生命周期，从类加载到内存中的各个阶段，以及在这个过程中发生的一些关键事件和操作。我们将了解类的加载、链接和初始化过程，以及类在内存中的存储结构和引用方式。

前言：

类的生命周期概述：

杂项知识点：

总结：

类的生命周期概述：

在Java中，类的生命周期较为复杂，涉及到加载、链接、初始化，使用和卸载几个主要阶段。下面详细解释这些阶段：

加载（Loading）：这是类的生命周期的第一个阶段。在这个阶段，Java虚拟机（JVM）将类的.class文件从硬盘读入内存，为之创建一个 java.long.class 对象，并且在方法区中生成一个 InstanceKlass 对象来存储类的基本信息。而开发者只能操作java.long.class 对象而不能操作InstanceKlass 对象 需要注意的是：静态字段的数据存储在java.long.class中。这两个对象是关联的，可以相互找到。类的加载通常是由类加载器完成的，包括引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）和系统类加载器（System ClassLoader），还可以有用户自定义的类加载器。
链接（Linking）：加载完成后，类进入链接阶段，这个阶段又分为验证、准备和解析三个子阶段。
- 验证（Verification）：确保被加载的类符合JVM规范，没有安全问题。
- 准备（Preparation）：为类变量分配内存，并设置类变量的默认初始值。并且需要注意的是：final修饰的基本数据类型的静态变量，准备阶段会直接将代码中的值进行赋值。
- 解析（Resolution）：将类、接口、字段和方法的符号引用转换为直接引用。
初始化（Initialization）：链接阶段之后，类会被初始化。在这个阶段，JVM 负责执行类的静态初始化器和静态初始化块。这包括执行静态字段的赋值语句和静态代码块。初始化是在类首次被使用时触发的，例如实例化、访问静态字段或调用静态方法时。
使用（Using）：类的初始化之后，它就可以在程序中自由使用了。这包括创建实例、调用方法和访问字段等操作。在这个阶段，对象会被创建和操作，它们各自也会经历自己的生命周期。
卸载（Unloading）：在某些情况下，当一个类不再需要时，它会被卸载。类的卸载发生在垃圾收集的过程中，当确定某个类的Class对象不再被引用，且对应的ClassLoader实例也不再存在时，JVM就可能卸载这个类。但是，在常见的Java应用中，由于系统类加载器加载的类一直会被引用，所以这些类通常只有在JVM停止运行时才会被卸载。

需要注意的是，Java中的类卸载并不是很常见，因为大多数应用的生命周期内，其加载的类都会一直被使用。只有在某些特定的场景下，比如热部署、动态加载和卸载插件的应用服务器等环境中，类的卸载才是必要的。

杂项知识点：

1.类加载器的种类：

引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）：它是虚拟机的一部分，负责加载Java核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar里面的类或-Xbootclasspath参数指定的路径中的类）。

扩展类加载器（Extension ClassLoader）：它负责加载JAVA_HOME/jre/lib/ext目录中或java.ext.dirs系统属性指定路径中的类库。

系统类加载器（System ClassLoader）：它根据Java应用的类路径（CLASSPATH）来加载Java应用类。

用户自定义加载器（User-Defined ClassLoaders）：Java允许开发者通过继承java.lang.ClassLoader类的方式实现自己的类加载器。

2.什么是方法区：

方法区（Method Area）是Java虚拟机（JVM）中的一块内存区域，存储了已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。方法区不同于堆（Heap）和栈（Stack），它是线程共享的，存储的是类相关的数据而不是对象实例。
需要注意的是，Java 8及之前的版本中，方法区是位于永久代（Permanent Generation）内的。而从Java 8开始，永久代被元空间（Metaspace）取代，方法区的数据被存储在元空间中。元空间是使用堆内存来实现的，但是它与Java堆是独立分配和回收的，因此方法区并不属于堆或栈。

3.哪几种情况会导致类的初始化：

创建类的实例：当首次创建某个类的实例时，该类将被初始化。
访问类的静态方法：首次调用类的任意一个静态方法时，该类将被初始化。
访问类或接口的静态字段：首次访问类或接口的静态字段（除了常量字段）时，该类或接口将被初始化。
反射：使用反射方式调用Class.forName()时，如果指定了要进行初始化，则会触发类的初始化。
初始化子类：如果一个类还未被初始化，则在其任何子类被初始化时，该父类也会被初始化。
Java虚拟机启动时：定义了main方法的那个类将在程序开始执行时被初始化。
动态语言支持：如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
接口的默认方法：如果接口定义了默认方法，并且在首次调用其实现类的任何默认方法时，该接口会被初始化。
子类的初始化clinit调用之前，会先调用父类的clinit初始化方法。

4.哪几种方式不会导致类的初始化

无静态代码块且无静态变量赋值语句。
有静态变量的声明，但是没有赋值语句。
静态变量的定义使用final关键字，这类变量会在准备阶段直接初始化。
直接访问父类的静态变量，不会触发子类的初始化。
数组的创建不会导致数组中元素的类进行初始化。

面试题实战：

说出以下代码运行结果：

public class test5 {
    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("A");
        new test5();
        new test5();
    }
    public  test5()
    {
        System.out.println("B");
    }
    {
        System.out.println("C");
    }
    static {

        System.out.println("D");
    }

}

首先，在类加载过程中，会执行静态代码块中的代码。因此，静态代码块中的输出语句System.out.println("D");会被执行一次，打印出"D"。
接着，在main方法中，首先输出字符"A"。
然后创建了第一个test5对象。在创建对象时，首先会执行实例代码块中的代码。因此，实例代码块中的输出语句System.out.println("C");会被执行一次，打印出"C"。接着，执行构造方法test5()中的代码，打印出"B"。
再创建第二个test5对象时，同样会执行实例代码块中的代码，打印出"C"。接着，执行构造方法test5()中的代码，打印出"B"。。

因此打印结果为DACBCB，你做对了吗？

说出以下运行结果：

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        new B02();
        System.out.println(B02.a);
    }
}
class A02
{
    static int a=0;
    static{
        System.out.println("A02");
        a=1;
    }
}
class B02 extends A02{
    static{
        System.out.println("B02");
        a=2;
    }
}

首先执行main方法，在main方法中创建了一个B02对象，由于B02继承自A02，因此会先初始化A02类。在A02类的静态代码块中，会输出"A02"并将a的值赋为1。接着初始化B02类，在B02类的静态代码块中，会输出"B02"并将a的值赋为2。最后，打印输出B02.a的值，即为2。

因此打印结果为：A02 B02 2，你做对了吗？

说出以下结果：

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {

        System.out.println(B02.a);
    }
}
class A02
{
    static int a=0;
    static{
        System.out.println("A02");
        a=1;
    }
}
class B02 extends A02{
    static{
        System.out.println("B02");
        a=2;
    }
}

运行结果为A02 1 原因是因为：访问父类的静态变量，只初始化父类。

总结：

类的生命周期从加载、验证、准备、解析到初始化，每个阶段都有特定的任务和目标。在加载阶段，类的字节码数据被加载到内存中，并存储在方法区中。验证阶段验证类的字节码的正确性和安全性。准备阶段为静态变量分配内存并设置默认初始值，也将静态变量存储在方法区中。解析阶段将符号引用解析为直接引用，以便后续的方法调用。最后，在初始化阶段初始化类的静态变量和执行静态代码块的逻辑。

通过了初始化阶段的类可以进入正常的使用阶段，在这个阶段中，类的实例可以被创建，实例变量和方法可以被调用。但是，我们也要意识到类的生命周期并不只局限于这些阶段。类的卸载是一个不确定的阶段，只有当类的加载器认为它不再需要时，类才会被卸载。此外，类的生命周期还受到一些因素的影响，例如类的引用是否存在，是否被其他对象引用等。

了解类的生命周期对于理解Java程序的运行机制非常重要。它帮助我们理解类的加载、初始化和使用过程，并在必要时进行优化和资源管理。同时，深入了解类的生命周期也有助于我们编写更高效、可靠的Java应用程序。

总之，类的生命周期从加载到卸载，经历了多个阶段，每个阶段都有特定的任务和目标。理解类的生命周期有助于我们更好地理解和管理Java程序的运行机制。

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