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java执行过程

JVM启动

JVM通过调用Main方法执行程序。我们拿Test类来具体，大致步骤如下：

加载class

开始尝试执行Test的main方法时，发现Test类还没有加载，也没有这个类的二进制表示。jVM就会使用classloader 尝试寻找类的二进制表示。没找到则抛出一个Error。 一个正常的classloader拥有如下特性：

  1. 对于相同的类名，classloader永远返回相同的类对象。
  2. 如果一个classloader L1将类C托管给L2处理，那么对于C的直接父类或者父接口T，或C的字段类型，或C的方法的参数类型，或返回值类型， L1和L2都返回相同的类对象。

加载过程

ClassLoader及其子类负责类的记载过程。
ClassLoader不同的子类实现不同的加载策略。特殊情况下，一个类加载器可能缓存类或接口的二进制表示，当使用到或者几种加载一组关联类时 才获取他们。
在类加载期间，LinkageError的子类ClassCircularityError，ClassFormatError，NoClassDefFoundError等可能会被抛出。 加载也涉及到新的数据结构分配空间，所以OutOfMemoryError可能会被抛出。

链接Test:验证，准备，处理（可选）

在加载完Test后，在main调用前还需要执行链接，链接是将类或接口的二进制形式结合到JVM运行时状态中的过程。 链接包括了验证，准备，和处理阶段。
链接阶段涉及到新数据结构的空间分配，所以OutOfMemoryError可能会被抛出。

  • 验证
    检查Test的二进制表示格式是否正确，检查代码是否遵从语义需求和java语言需求即JVM需求，如果有问题被发现，会抛出一个Error。 验证异常后，VerifyError会被抛出。
  • 准备
    准备包括了静态内存的分配及JVM内部用到的内存分配，如方法表。准备阶段会创建静态字段（类变量和常量），并设置字段默认值。该阶段 不会执行任何代码，Initializer中设置的静态字段会在初始化阶段执行，不会在这个阶段。
  • 处理
    处理是检查Test引用其他类或接口的符号引用，及加载其他类和接口检查引用正确性的过程。处理符号引用的阶段可能很快就反生，也可能在 所有符号引用都被处理后再完成。也可能在一个符号引用被使用到的时候才去处理，执行延迟加载。 处理阶段抛出的大多是IncompatibleClassChangeError的子类，如：IllegalAccessError，InstantiationError， NoSuchFieldError，NoSuchMethodError。

初始化

执行main之前，还需要完成类的初始化。初始化包括了静态初始化和变量初始化。且在Test初始化之前，其父类需要递归地先执行初始化。 Test隐藏的父类为Object，所以需要先执行Object的初始化。 一个类的初始化过程包括执行类中声明的static initializers 和 静态字段的 initializers。
接口的初始化包括在接口中声明的常量的initializers。

初始化发生的时间

一个类或接口T在发生下列情况时，会立即初始化：

  1. 一个类的实例被创建。
  2. 静态方法被调用。
  3. 静态字段被赋值。
  4. 静态字段被使用且字段不是常量。
  5. T是一个顶级类，T内嵌套的assert语句被执行。

当一个类初始化后，它的父类会被初始化，所有有默认方法的接口会被初始化。
一个接口被初始化，不会导致它的所有父接口被初始化。
一个static字段的引用只会让真正声明它的类或者接口初始化。而不管它的子类或子接口引用了它。 调用反射也会引起类或接口的初始化。

初始化的详细过程

因为java程序是多线程的，需要慎重处理同步过程。多个线程可能会同时加载一个类，而一个类或接口的初始化可能递归依赖它本身的初始化。如A中一个变量的 初始化调用类B中的一个方法，该方法又返回调用A中的方法。JVM负责处理同步和递归初始化，过程如下： 该过程假设Class对象已经被验证和准备完成，并且处于如下四个状态之一：

  1. Class对象被验证和准备完成，还未被初始化。
  2. Class对象正在被线程T初始化。
  3. Class对象初始化完成并可以使用。
  4. Class对象处于错误状态，可能是初始化失败了。

每个类或者接口C，有唯一的一个所LC。C的初始化过程如下：

  1. 在LC锁同步，等待当前线程获取LC锁。
  2. 如果发现C的初始化已经被其他线程正在执行，那么释放LC锁，阻塞当前线程获取锁，直到其他线程处理完成。然后重复当前步骤。
  3. 如果发现C的初始化被当前线程执行，那么这必然是一个递归初始化请求，释放LC并正常执行。
  4. 如果C已经被初始化，释放LC并正常执行。
  5. 如果C初始化发生错误，释放LC锁并抛出NoClassDefFoundError。
  6. 否则，当前线程处理的C的初始化，然后释放LC。然后初始化是常量的static字段。
  7. 如果C是类而不是接口，它的父类还没有初始化，则递归地按照上面的过程初始化它的父类及有默认方法的父接口。
  8. 通过查询C的类加载器，确定C是否开启了assert。
  9. 按文本顺序执行类变量初始化和静态初始化，及接口的字段初始化。
  10. 如果初始化执行完成，然后获取LC，标记C初始化完成，通知所有等待的线程，释放LC。
  11. 否则，初始化意外结束，抛出异常。
  12. 获取LC，标记C为出错状态，通知所有等待的线程，释放LC。

调用Test.main

最终，在所有的初始化完成后，main方法会被调用。

新类实例的创建

一个类实例被显示创建时，会引起类被初始化。 一个类的新实例可能被隐式地通过下面几种情况被创建：

  1. 加载一个包含String文本的类或者接口会创建一个新的String对象表示一个文本。
  2. 引起封箱转换的操作，会创建一个包装类的对象。
  3. 非常量的表达式的string的+操作会创建一个新的String对象保存结果。String的+操作也可能对基本类型创建包装类对象。
  4. 一个方法引用表达式或一个lambda表达式可能创建实现了函数接口类型的类的实例。

当一个类的实例被创建时，会为类中声明的实例变量、所有父类中声明的实例变量（包括隐藏实例变量）分配内存

class实例的完结

Object有一个protected方法finalize；finalize方法可以被对象的finalizer调用。在对象的空间被GC收集前，JVM会调用对象的finalizer。 在finalizer中，我们有机会对GC不能自动回收的资源做释放。 java调用finalizer是无序的，不定时的，如果在finalization期间一个未捕获异常被抛出，异常会被忽略。 happen-before，任何对象的finalize方法都在构造方法之后调用。 Object的finalize方法没有执行任何动作，只是为了让class能够为其调用finalize方法。 包java.lang.ref描述了和GC交互的弱引用。

对象的状态

每个对象有两个属性：第一，reachable, finalizerreachable, or unreachable。第二，unfinalized, finalizable, or finalized。

  • reachable 从存活线程在任何可能的计算中可以访问到的对象。
  • finalizer-reachable 从任何可以完结的对象通过某些路径可以访问到。不能从存活线程访问到。

  • unreachable 任何途径不可以访问到的对象。

  • unfinalized 从来没有自动调用过它finalizer。
  • finalized 已经自动调用过finalizer。
  • finalizable 从来没有自动调用过它的finalizer，但是JVM最终会自动调用它的finalizer。

类和接口的卸载

类或接口可以被定义它的classloader卸载，被bootstrap类加载器加载的类无法被卸载。

程序的退出

一个程序在如下情况下会停止运行并退出：

  • 所有的非守护线程终结。
  • 类Runtime或System的exit方法被调用，且exit操作没有被安全管理器（security manager）禁止。