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[编程语言]通过一道阿里校招题加深JVM的理解

  2016-04-03 20:44:09

Java虚拟机与程序的生命周期
1、在下面几种情况下,Java虚拟机将结束生命周期:
    - 执行了System.exit()方法
    - 程序正常执行结束
    - 程序在执行过程中遇到了异常或者错误而异常终止
    - 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止
2、类的加载、连接与初始化
    - 加载:查找并加载类的二进制数据
    - 连接
        - 验证:确保被加载的类的正确性
        - 准备:为类的静态变量分配内存,并将其初始化为默认值
        - 解析:把类中的符号引用转换为直接引用
    - 初始化:为类的静态变量赋予正确的初始值
图解如下:

(1)Java程序对类的使用方式可分为两种:主动使用和被动使用。
(2)所有的Java虚拟机实现,必须在每个类或接口被Java程序“首次主动使用”时才初始化他们。而类或接口被主动使用的情形如下(主动使用):
    - 创建类的实例
    - 访问某个类或接口的静态变量,或者对该类的静态变量赋值
    - 调用类的静态方法
    - 反射 eg.    Class.forName("com.xiaojiang.Test")
    - 初始化一个类的子类
    - Java虚拟机启动时被标明为启动了的类(java Test)
除了上面6种情况,其他使用Java类的方式都被看作是对类的被动使用,都不会导致类的初始化。
下面具体分析类的加载、连接和初始化的详细情况:
一、类的加载
1、类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中,将其放在运行时数据区的方法区内,然后,在堆区创建一个java.lang.class对象,用来封装类的方法区内的数据结构。
2、JVM在加载.class文件的方式有:
    - 从本地系统中直接加载
    - 通过网络下载.class文件
    - 从zip,jar等归档文件中加载.class文件
    - 从专有数据库中提取.class文件
    - 将Java源文件动态编译为.class文件
类被加载的图解举例:

3、类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象。Class对象封装了类在方法区内的数据结构,并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。
4、JVM中有两种大类型的类加载器:
    (1)Java虚拟机自带的加载器
                - 根类加载器(Bootstrap)
                - 扩展类加载器(Extension)
                - 系统类加载器(System)
    (2)用户自定义的类加载器
                - java.lang.ClassLoader的子类
                - 用户可以定制类的加载方式
5、类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它。JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它,如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误,类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误(LinkageError错误)。如果这个类一直没有被程序主动使用,那么类加载器就不会报告错误
二、连接
1、类的验证:类被加载后,就进入连接阶段。连接就是将已经读入到内存的类的二进制数据合并到虚拟机的运行时环境中去。类的验证的内容有:
    - 类文件的结构检查:确保类文件遵从Java类文件的固有格式。
    - 语法检查:确保类本身符合Java语言的语法规定,比如验证final类型的类没有子类,以及final类型的方法没有被覆盖。
    -字节码验证:确保字节码流可以被Java虚拟机安全地执行。字节码流代表Java方法(静态方法和实例方法),它是由被称做操作码的单字节指令组成的序列,每一个操作码后都跟着一个或多个操作数。字节码验证步骤会检查每个操作码是否合法,即是否有着合法的操作数。
    - 二进制兼容性的验证:确保相互引用的类之间协调一致。例如:在Worker类的gotoWork()方法中会调用Car类的run()方法。Java虚拟机在验证Worker类时,会检查在方法区内是否存在Car类的run()方法,假如不存在(当Worker类和Car类的版本不兼容,就会出现这种情况),就会抛出NoSunchMethodError错误。
2、类的准备:在准备阶段,Java虚拟机为类的静态变量分配内存,并设置默认的初始值。例如:对于以下Sample类,在准备阶段,将为int类型的静态变量a分配4个字节的内存空间,并且赋予默认值0,为long类型的静态变量b分配8个字节的内存空间,并且赋予默认值0。
public class Sample{
    private static int a=1;
    public static long b;

    static{
        b=2;
    }
    ......
}

3、类的解析:在解析阶段,Java虚拟机会把类的二进制数据中的符号引用替换为直接引用。例如:在Worker类的gotoWork()方法中会引用Car类的run()方法。
public void gotoWork(){
    car.run();  //这段代码在worker类的二进制数据中表示为符号引用
}

在Worker类的二进制数据中,包含了一个队Car类的run()方法的符号引用,它由run()方法的全名和相关描述符组成。在解析阶段,Java虚拟机会把这个符号引用替换为一个指针,该指针指向Car类的run()方法在方法区的内存位置,这个指针就是直接引用。
三、类的初始化
1、在初始化阶段,Java虚拟机执行类的初始化语句,为类的静态变量赋予初始值。在程序中,静态变量的初始化有两种途径:
    (1)在静态变量的声明处进行初始化
    (2)在静态代码块中进行初始化
例如:在下面代码中,静态变量a和b都被现实初始化,而静态变量c没有被现实初始化,它将保存默认值0。
public class Sample{
    private static int a=1;  //在静态变量的声明处进行初始化
    public static long b;
    public static long c;

    static{
        b=2;  //在静态代码块中进行初始化
    }
    ......
}

2、静态变量的声明语句,以及静态代码块都被看做类的初始化语句,Java虚拟机会按照初始化语句的类文件中的先后顺序来依次执行它们。
3、类的初始化步骤:
    (1)假如这个类还没有被加载和连接,那就先进行加载和连接。
    (2)加入类存在直接的父类,并且这个父类还没有被初始化,那就先初始化直接的父类。
    (3)假如类中存在初始化语句,那就依次执行这些初始化语句。
4、类的初始化时机,某个类只有在被主动使用时,才会进行初始化,而主动使用的情形上面已经讲过,除了上面主动使用的6中情形,其他使用Java类的方式都被看作被动使用,不会导致类的初始化。当Java虚拟机初始化一个类时,要求它的所有父类都已经被初始化,但是这条规则并不适合于接口:
        - 在初始化一个类时,并不会先初始化它所实现的接口
        - 在初始化一个接口时,并不会初始化它的父接口
因此,一个父接口并不会因为它的子接口或者实现类的初始化而初始化。只有当程序首次使用特定接口的静态变量时,才会导致该接口的初始化。只有当程序访问的静态变量或静态方法确实在当前类或当前接口中定义时,才可以认为是对类或接口的主动使用。
5、调用ClassLoader类的loadClass方法加载一个类,并不是对类的主动使用,不会导致类的初始化。
四、实践
下面以一道阿里巴巴2014年校招Java笔试题为例:
public class StaticTest {

    public static int k = 0;
    public static StaticTest t1 = new StaticTest("t1");
    public static StaticTest t2 = new StaticTest("t2");
    public static int i = print("i");
    public static int n = 99;
    public int j = print("j");

    {
        print("构造快");
    }

    static {
        print("静态块");
    }

    public StaticTest(String str) {
        System.out.println((++k) + ":" + str + " i=" + i + " n=" + n);
        ++n;
        ++i;
    }

    public static int print(String str) {
        System.out.println((++k) + ":" + str + " i=" + i + " n=" + n);
        ++i;
        return ++n;
    }
    public static void main(String[] args) {
        StaticTest t = new StaticTest("init");
    }

}

我个人觉得这道题如果对JVM没有深入的理解,能够做对很难。可以先自己在本子上写出运行的结果,然后与实际运行结果进行对比,加深理解。

1:j i=0 n=0
2:构造快 i=1 n=1
3:t1 i=2 n=2
4:j i=3 n=3
5:构造快 i=4 n=4
6:t2 i=5 n=5
7:i i=6 n=6
8:静态块 i=7 n=99
9:j i=8 n=100
10:构造快 i=9 n=101
11:init i=10 n=102
上面运行的结果是在jdk1.6上面,控制台的输出结果。
以上是通过阿里笔试题为例,以及我查看资料的总结和在eclipse中进行实践的结果,欢迎大家批评指正。由于能力有限,错误难免,欢迎交流,指正。
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2016-04-03 20:43:25  
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2017-4-26 17:57:05
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