類的初始化和對(duì)象初始化是 JVM 管理的類型生命周期中非常重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)，Google 了一遍網(wǎng)絡(luò)，有關(guān)類裝載機(jī)制的文章倒是不少，然而類初始化和對(duì)象初始化的文章并不多，特別是從字節(jié)碼和 JVM 層次來分析的文章更是鮮有所見。
本文主要對(duì)類和對(duì)象初始化全過程進(jìn)行分析，通過一個(gè)實(shí)際問題引入，將源代碼轉(zhuǎn)換成 JVM 字節(jié)碼后，對(duì) JVM 執(zhí)行過程的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行全面解析，并在文中穿插入了相關(guān) JVM 規(guī)范和 JVM 的部分內(nèi)部理論知識(shí)，以理論與實(shí)際結(jié)合的方式介紹對(duì)象初始化和類初始化之間的協(xié)作以及可能存在的沖突問題。
問題引入
近日我在調(diào)試一個(gè)枚舉類型的解析器程序，該解析器是將數(shù)據(jù)庫內(nèi)一萬多條枚舉代碼裝載到緩存中，為了實(shí)現(xiàn)快速定位枚舉代碼和具體枚舉類別的所有枚舉元素，該類在裝載枚舉代碼的同時(shí)對(duì)其采取兩種策略建立內(nèi)存索引。由于該類是一個(gè)公共服務(wù)類，在程序各個(gè)層面都會(huì)使用到它，因此我將它實(shí)現(xiàn)為一個(gè)單例類。這個(gè)類在我調(diào)整類實(shí)例化語句位置之前運(yùn)行正常，但當(dāng)我把該類實(shí)例化語句調(diào)整到靜態(tài)初始化語句之前時(shí)，我的程序不再為我工作了。
下面是經(jīng)過我簡(jiǎn)化后的示例代碼：
［清單一］
package com.ccb.framework.enums;
import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class CachingEnumResolver {
//單態(tài)實(shí)例 一切問題皆由此行引起
private static final CachingEnumResolver SINGLE_ENUM_RESOLVER = new
CachingEnumResolver();
/*MSGCODE->Category內(nèi)存索引*/
private static Map CODE_MAP_CACHE;
static {
CODE_MAP_CACHE = new HashMap();
//為了說明問題,我在這里初始化一條數(shù)據(jù)
CODE_MAP_CACHE.put("0","北京市");
}
//private, for single instance
private CachingEnumResolver() {
//初始化加載數(shù)據(jù) 引起問題，該方法也要負(fù)點(diǎn)責(zé)任
initEnums();
}
/**
* 初始化所有的枚舉類型
*/
public static void initEnums() {
// ~~~~~~~~~問題從這里開始暴露 ~~~~~~~~~~~//
if (null == CODE_MAP_CACHE) {
System.out.println("CODE_MAP_CACHE為空,問題在這里開始暴露.");
CODE_MAP_CACHE = new HashMap();
}
CODE_MAP_CACHE.put("1", "北京市");
CODE_MAP_CACHE.put("2", "云南省");
//..... other code...
}
public Map getCache() {
return Collections.unmodifiableMap(CODE_MAP_CACHE);
}
/**
* 獲取單態(tài)實(shí)例
*
* @return
*/
public static CachingEnumResolver getInstance() {
return SINGLE_ENUM_RESOLVER;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(CachingEnumResolver.getInstance().getCache());
}
}
|
想必大家看了上面的代碼后會(huì)感覺有些茫然，這個(gè)類看起來沒有問題啊，這的確屬于典型的餓漢式單態(tài)模式啊，怎么會(huì)有問題呢？
是的，他看起來的確沒有問題，可是如果將他 run 起來時(shí)，其結(jié)果是他不會(huì)為你正確 work。運(yùn)行該類，它的執(zhí)行結(jié)果是：
［清單二］
CODE_MAP_CACHE為空,問題在這里開始暴露.
{0=北京市}
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我的程序怎么會(huì)這樣？為什么在 initEnum() 方法里 CODE_MAP_CACHE 為空？為什么我輸出的 CODE_MAP_CACHE 內(nèi)容只有一個(gè)元素，其它兩個(gè)元素呢？？？？！！
看到這里，如果是你在調(diào)試該程序，你此刻一定覺得很奇怪，難道是我的 Jvm 有問題嗎？非也！如果不是，那我的程序是怎么了？這絕對(duì)不是我想要的結(jié)果。可事實(shí)上無論怎么修改 initEnum() 方法都無濟(jì)于事，起碼我最初是一定不會(huì)懷疑到問題可能出在創(chuàng)建 CachingEnumResolver 實(shí)例這一環(huán)節(jié)上。正是因?yàn)槲姨嘈盼覄?chuàng)建 CachingEnumResolver 實(shí)例的方法，加之對(duì) Java 類初始化與對(duì)象實(shí)例化底層原理理解有所偏差，使我為此付出了三、四個(gè)小時(shí)--約半個(gè)工作日的大好青春。
那么問題究竟出在哪里呢？為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的怪事呢？在解決這個(gè)問題之前，先讓我們來了解一下JVM的類和對(duì)象初始化的底層機(jī)制。
類的生命周期
上圖展示的是類生命周期流向；在本文里，我只打算談?wù)勵(lì)惖?初始化"以及"對(duì)象實(shí)例化"兩個(gè)階段。
類初始化
類"初始化"階段，它是一個(gè)類或接口被首次使用的前階段中的最后一項(xiàng)工作，本階段負(fù)責(zé)為類變量賦予正確的初始值。
Java 編譯器把所有的類變量初始化語句和類型的靜態(tài)初始化器通通收集到 <clinit> 方法內(nèi)，該方法只能被 Jvm 調(diào)用，專門承擔(dān)初始化工作。
除接口以外，初始化一個(gè)類之前必須保證其直接超類已被初始化，并且該初始化過程是由 Jvm 保證線程安全的。另外，并非所有的類都會(huì)擁有一個(gè) <clinit>() 方法，在以下條件中該類不會(huì)擁有 <clinit>() 方法：
- 該類既沒有聲明任何類變量，也沒有靜態(tài)初始化語句；
- 該類聲明了類變量，但沒有明確使用類變量初始化語句或靜態(tài)初始化語句初始化；
- 該類僅包含靜態(tài) final 變量的類變量初始化語句，并且類變量初始化語句是編譯時(shí)常量表達(dá)式。
對(duì)象初始化
在類被裝載、連接和初始化，這個(gè)類就隨時(shí)都可能使用了。對(duì)象實(shí)例化和初始化是就是對(duì)象生命的起始階段的活動(dòng)，在這里我們主要討論對(duì)象的初始化工作的相關(guān)特點(diǎn)。
Java 編譯器在編譯每個(gè)類時(shí)都會(huì)為該類至少生成一個(gè)實(shí)例初始化方法--即 "<init>()" 方法。此方法與源代碼中的每個(gè)構(gòu)造方法相對(duì)應(yīng)，如果類沒有明確地聲明任何構(gòu)造方法，編譯器則為該類生成一個(gè)默認(rèn)的無參構(gòu)造方法，這個(gè)默認(rèn)的構(gòu)造器僅僅調(diào)用父類的無參構(gòu)造器，與此同時(shí)也會(huì)生成一個(gè)與默認(rèn)構(gòu)造方法對(duì)應(yīng)的 "<init>()" 方法.
通常來說，<init>() 方法內(nèi)包括的代碼內(nèi)容大概為：調(diào)用另一個(gè) <init>() 方法；對(duì)實(shí)例變量初始化；與其對(duì)應(yīng)的構(gòu)造方法內(nèi)的代碼。
如果構(gòu)造方法是明確地從調(diào)用同一個(gè)類中的另一個(gè)構(gòu)造方法開始，那它對(duì)應(yīng)的 <init>() 方法體內(nèi)包括的內(nèi)容為：一個(gè)對(duì)本類的 <init>() 方法的調(diào)用；對(duì)應(yīng)用構(gòu)造方法內(nèi)的所有字節(jié)碼。
如果構(gòu)造方法不是通過調(diào)用自身類的其它構(gòu)造方法開始，并且該對(duì)象不是 Object 對(duì)象，那 <init>() 法內(nèi)則包括的內(nèi)容為：一個(gè)對(duì)父類 <init>() 方法的調(diào)用；對(duì)實(shí)例變量初始化方法的字節(jié)碼；最后是對(duì)應(yīng)構(gòu)造子的方法體字節(jié)碼。
如果這個(gè)類是 Object，那么它的 <init>() 方法則不包括對(duì)父類 <init>() 方法的調(diào)用。
類的初始化時(shí)機(jī)
本文到目前為止，我們已經(jīng)大概有了解到了類生命周期中都經(jīng)歷了哪些階段，但這個(gè)類的生命周期的開始階段--類裝載又是在什么時(shí)候被觸發(fā)呢？類又是何時(shí)被初始化的呢？讓我們帶著這三個(gè)疑問繼續(xù)去尋找答案。
Java 虛擬機(jī)規(guī)范為類的初始化時(shí)機(jī)做了嚴(yán)格定義："initialize on first active use"--" 在首次主動(dòng)使用時(shí)初始化"。這個(gè)規(guī)則直接影響著類裝載、連接和初始化類的機(jī)制--因?yàn)樵陬愋捅怀跏蓟八仨氁呀?jīng)被連接，然而在連接之前又必須保證它已經(jīng)被裝載了。
在與初始化時(shí)機(jī)相關(guān)的類裝載時(shí)機(jī)問題上，Java 虛擬機(jī)規(guī)范并沒有對(duì)其做嚴(yán)格的定義，這就使得 JVM 在實(shí)現(xiàn)上可以根據(jù)自己的特點(diǎn)提供采用不同的裝載策略。我們可以思考一下 Jboss AOP 框架的實(shí)現(xiàn)原理，它就是在對(duì)你的 class 文件裝載環(huán)節(jié)做了手腳--插入了 AOP 的相關(guān)攔截字節(jié)碼，這使得它可以對(duì)程序員做到完全透明化，哪怕你用 new 操作符創(chuàng)建出的對(duì)象實(shí)例也一樣能被 AOP 框架攔截--與之相對(duì)應(yīng)的 Spring AOP，你必須通過他的 BeanFactory 獲得被 AOP 代理過的受管對(duì)象，當(dāng)然 Jboss AOP 的缺點(diǎn)也很明顯--他是和 JBOSS 服務(wù)器綁定很緊密的，你不能很輕松的移植到其它服務(wù)器上。嗯~……，說到這里有些跑題了，要知道 AOP 實(shí)現(xiàn)策略足可以寫一本厚厚的書了，嘿嘿，就此打住。
說了這么多，類的初始化時(shí)機(jī)就是在"在首次主動(dòng)使用時(shí)"，那么，哪些情形下才符合首次主動(dòng)使用的要求呢？
首次主動(dòng)使用的情形：
- 創(chuàng)建某個(gè)類的新實(shí)例時(shí)--new、反射、克隆或反序列化；
- 調(diào)用某個(gè)類的靜態(tài)方法時(shí)；
- 使用某個(gè)類或接口的靜態(tài)字段或?qū)υ撟侄钨x值時(shí)（final字段除外）；
- 調(diào)用Java的某些反射方法時(shí)
- 初始化某個(gè)類的子類時(shí)
- 在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)某個(gè)含有main()方法的那個(gè)啟動(dòng)類。
除了以上幾種情形以外，所有其它使用JAVA類型的方式都是被動(dòng)使用的，他們不會(huì)導(dǎo)致類的初始化。
我的問題究竟出在哪里
好了，了解了JVM的類初始化與對(duì)象初始化機(jī)制后，我們就有了理論基礎(chǔ)，也就可以理性的去分析問題了。
下面讓我們來看看前面[清單一]的JAVA源代碼反組譯出的字節(jié)碼：
［清單三］
public class com.ccb.framework.enums.CachingEnumResolver extends
java.lang.Object{
static {};
Code:
0: new #2; //class CachingEnumResolver
3: dup
4: invokespecial #14; //Method "<init>":()V ①
7: putstatic #16; //Field
SINGLE_ENUM_RESOLVER:Lcom/ccb/framework/enums/CachingEnumResolver;
10: new #18; //class HashMap ②
13: dup
14: invokespecial #19; //Method java/util/HashMap."<init>":()V
17: putstatic #21; //Field CODE_MAP_CACHE:Ljava/util/Map;
20: getstatic #21; //Field CODE_MAP_CACHE:Ljava/util/Map;
23: ldc #23; //String 0
25: ldc #25; //String 北京市
27: invokeinterface #31, 3; //InterfaceMethod
java/util/Map.put:(Ljava/lang/Object;Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object; ③
32: pop
33: return
private com.ccb.framework.enums.CachingEnumResolver();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #34; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: invokestatic #37; //Method initEnums:()V ④
7: return
public static void initEnums();
Code:
0: getstatic #21; //Field CODE_MAP_CACHE:Ljava/util/Map; ⑤
3: ifnonnull 24
6: getstatic #44; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
9: ldc #46; //String CODE_MAP_CACHE為空,問題在這里開始暴露.
11: invokevirtual #52; //Method
java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
14: new #18; //class HashMap
17: dup
18: invokespecial #19; //Method java/util/HashMap."<init>":()V ⑥
21: putstatic #21; //Field CODE_MAP_CACHE:Ljava/util/Map;
24: getstatic #21; //Field CODE_MAP_CACHE:Ljava/util/Map;
27: ldc #54; //String 1
29: ldc #25; //String 北京市
31: invokeinterface #31, 3; //InterfaceMethod
java/util/Map.put:(Ljava/lang/Object;Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object; ⑦
36: pop
37: getstatic #21; //Field CODE_MAP_CACHE:Ljava/util/Map;
40: ldc #56; //String 2
42: ldc #58; //String 云南省
44: invokeinterface #31, 3; //InterfaceMethod
java/util/Map.put:(Ljava/lang/Object;Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object; ⑧
49: pop
50: return
public java.util.Map getCache();
Code:
0: getstatic #21; //Field CODE_MAP_CACHE:Ljava/util/Map;
3: invokestatic #66; //Method
java/util/Collections.unmodifiableMap:(Ljava/util/Map;)Ljava/util/Map;
6: areturn
public static com.ccb.framework.enums.CachingEnumResolver getInstance();
Code:
0: getstatic #16;
//Field SINGLE_ENUM_RESOLVER:Lcom/ccb/framework/enums/CachingEnumResolver; ⑨
3: areturn
}
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如果上面［清單一］顯示，清單內(nèi)容是在 JDK1.4 環(huán)境下的字節(jié)碼內(nèi)容，可能這份清單對(duì)于很大部分兄弟來說確實(shí)沒有多少吸引力，因?yàn)檫@些 JVM 指令確實(shí)不像源代碼那樣漂亮易懂。但它的的確確是查找和定位問題最直接的辦法，我們想要的答案就在這份 JVM 指令清單里。
現(xiàn)在，讓我們對(duì)該類從類初始化到對(duì)象實(shí)例初始化全過程分析[清單一]中的代碼執(zhí)行軌跡。
如前面所述，類初始化是在類真正可用時(shí)的最后一項(xiàng)前階工作，該階段負(fù)責(zé)對(duì)所有類正確的初始化值，此項(xiàng)工作是線程安全的，JVM會(huì)保證多線程同步。
第１步：調(diào)用類初始化方法 CachingEnumResolver.<clinit>()，該方法對(duì)外界是不可見的，換句話說是 JVM 內(nèi)部專用方法，<clinit>() 內(nèi)包括了 CachingEnumResolver 內(nèi)所有的具有指定初始值的類變量的初始化語句。要注意的是并非每個(gè)類都具有該方法，具體的內(nèi)容在前面已有敘述。
第２步：進(jìn)入 <clinit>() 方法內(nèi)，讓我們看字節(jié)碼中的 "①" 行，該行與其上面兩行組合起來代表 new 一個(gè) CachingEnumResolver 對(duì)象實(shí)例，而該代碼行本身是指調(diào)用 CachingEnumResolver 類的 <init>（）方法。每一個(gè) Java 類都具有一個(gè) <init>() 方法，該方法是 Java 編譯器在編譯時(shí)生成的，對(duì)外界不可見，<init>() 方法內(nèi)包括了所有具有指定初始化值的實(shí)例變量初始化語句和java類的構(gòu)造方法內(nèi)的所有語句。對(duì)象在實(shí)例化時(shí)，均通過該方法進(jìn)行初始化。然而到此步，一個(gè)潛在的問題已經(jīng)在此埋伏好，就等著你來犯了。
第３步：讓我們順著執(zhí)行順序向下看，"④" 行，該行所在方法就是該類的構(gòu)造器，該方法先調(diào)用父類的構(gòu)造器 <init>() 對(duì)父對(duì)象進(jìn)行初始化，然后調(diào)用 CachingEnumResolver.initEnum() 方法加載數(shù)據(jù)。
第４步："⑤" 行，該行獲取 "CODE_MAP_CACHE" 字段值，其運(yùn)行時(shí)該字段值為 null。注意，問題已經(jīng)開始顯現(xiàn)了。（作為程序員的你一定是希望該字段已經(jīng)被初始化過了，而事實(shí)上它還沒有被初始化）。通過判斷，由于該字段為 NULL，因此程序?qū)⒗^續(xù)執(zhí)行到 "⑥" 行，將該字段實(shí)例化為 HashMap()。
第５步：在 "⑦"、"⑧" 行，其功能就是為 "CODE_MAP_CACHE" 字段填入兩條數(shù)據(jù)。
第６步：退出對(duì)象初始化方法 <init>()，將生成的對(duì)象實(shí)例初始化給類字段 "SINGLE_ENUM_RESOLVER"。（注意，此刻該對(duì)象實(shí)例內(nèi)的類變量還未初始化完全，剛才由 <init>() 調(diào)用 initEnum() 方法賦值的類變量 "CODE_MAP_CACHE" 是 <clinit>() 方法還未初始化字段，它還將在后面的類初始化過程再次被覆蓋）。
第７步：繼續(xù)執(zhí)行 <clinit>（）方法內(nèi)的后繼代碼，"②" 行，該行對(duì) "CODE_MAP_CACHE" 字段實(shí)例化為 HashMap 實(shí)例（注意：在對(duì)象實(shí)例化時(shí)已經(jīng)對(duì)該字段賦值過了，現(xiàn)在又重新賦值為另一個(gè)實(shí)例，此刻，"CODE_MAP_CACHE"變量所引用的實(shí)例的類變量值被覆蓋，到此我們的疑問已經(jīng)有了答案）。
第8步：類初始化完畢，同時(shí)該單態(tài)類的實(shí)例化工作也完成。
通過對(duì)上面的字節(jié)碼執(zhí)行過程分析，或許你已經(jīng)清楚了解到導(dǎo)致錯(cuò)誤的深層原因了，也或許你可能早已被上面的分析過程給弄得暈頭轉(zhuǎn)向了，不過也沒折，雖然我也可以從源代碼的角度來闡述問題，但這樣不夠深度，同時(shí)也會(huì)有僅為個(gè)人觀點(diǎn)、不足可信之嫌。
如何解決
要解決上面代碼所存在的問題很簡(jiǎn)單，那就是將 "SINGLE_ENUM_RESOLVER" 變量的初始化賦值語句轉(zhuǎn)移到 getInstance() 方法中去即可。換句話說就是要避免在類還未初始化完成時(shí)從內(nèi)部實(shí)例化該類或在初始化過程中引用還未初始化的字段。
寫在最后
靜下浮燥之心，仔細(xì)思量自己是否真的掌握了本文主題所引出的知識(shí)，如果您覺得您已經(jīng)完全或基本掌握了，那么很好，在最后，我將前面的代碼稍做下修改，請(qǐng)思考下面兩組程序是否同樣會(huì)存在問題呢？
程序一
public class CachingEnumResolver {
public static Map CODE_MAP_CACHE;
static {
CODE_MAP_CACHE = new HashMap();
//為了說明問題,我在這里初始化一條數(shù)據(jù)
CODE_MAP_CACHE.put("0","北京市");
initEnums();
}
|
程序二
public class CachingEnumResolver {
private static final CachingEnumResolver SINGLE_ENUM_RESOLVER;
public static Map CODE_MAP_CACHE;
static {
CODE_MAP_CACHE = new HashMap();
//為了說明問題,我在這里初始化一條數(shù)據(jù)
CODE_MAP_CACHE.put("0","北京市");
SINGLE_ENUM_RESOLVER = new CachingEnumResolver();
initEnums();
}
|
最后，一點(diǎn)關(guān)于 JAVA 群體的感言：時(shí)下正是各種開源框架盛行時(shí)期，Spring 更是大行其道，吸引著一大批 JEE 開發(fā)者的眼球（我也是 fans 中的一員）。然而，讓我們仔細(xì)觀察一下--以 Spring 群體為例，在那么多的 Spring fans 當(dāng)中，有多少人去研究過 Spring 源代碼？又有多少人對(duì) Spring 設(shè)計(jì)思想有真正深入了解呢？當(dāng)然，我是沒有資格以這樣的口吻來說事的，我只是想表明一個(gè)觀點(diǎn)--學(xué)東西一定要"正本清源"。
獻(xiàn)上此文，謹(jǐn)以共勉。