2.3　類的初始化

類可用三部曲的最后一步是類初始化。《Java虛擬機規范》的第5章對初始化流程有非常詳盡的描述，指出整個類的初始化流程有12步。

1）獲取類C的初始化鎖LC。

2）如果另外一個線程正在初始化C，那么釋放鎖LC，阻塞當前線程，直到另一個線程初始化完成。

3）如果當前線程正在初始化C，那么釋放LC。

4）如果C早已初始化，不需要做什么，那么釋放LC。

5）如果C處于錯誤的狀態，初始化不可能完成，則釋放LC并拋出NoClassDefFoundError。

6）否則，標示當前線程正在初始化C，釋放LC。然后初始化每個final static常量字段，初始化順序遵照代碼寫的順序。

7）下一步，如果C是類而不是接口，初始化父類和父接口。

8）下一步，查看C的斷言是否開啟。

9）下一步，執行類或者接口的初始化方法。

10）如果初始化完成，那么獲取鎖LC，標示C已經完全初始化，通知所有等待的線程，然后釋放LC。

11）否則，初始化一定會遇到類問題，拋出異常E。如果類E是Error或者它的子類，那么創建一個ExceptionInitializationError對象，將E作為參數，然后用該對象替代下一步的E。如果因為OutOfMemoryError原因不能創建ExceptionInitializationError實例，則使用OutOfMemoryError實例作為下一步E的替代品。

12）獲取LC，標示C為錯誤狀態，通知所有線程，然后釋放LC，以上一步的E作為本步的終止。

為了通用性和抽象性，可能《Java虛擬機規范》在語言描述方面比較學究。要想直觀了解類初始化過程，可以閱讀InstanceKlass::initialize_impl()源碼實現。HotSpot VM幾乎是按照Java虛擬機規范要求的步驟進行的，只是看起來更簡單明了。不難看出，上面步驟很多都是為了處理錯誤和異常情況，真正意義上的初始化其實是第9步，如代碼清單2-14所示：

代碼清單2-14　類初始化

void InstanceKlass::initialize_impl(TRAPS) {
    ...
    // Step 8 （虛擬機文檔的第9步對應源碼第8步，因為源碼省略了文檔第8步的處理）
    call_class_initializer(THREAD);
}
void InstanceKlass::call_class_initializer(TRAPS) {
    // 如果啟用了編譯重放則跳過初始化
    if (ReplayCompiles && ...){
        return;
    }
    // 獲取初始化方法，包裝成一個methodHandle
    methodHandle h_method(THREAD, class_initializer());
    // 調用初始化方法
    if (h_method() != NULL) {
        JavaCallArguments args; // <clinit>無參數
        JavaValue result(T_VOID);
        JavaCalls::call(&result, h_method, &args, CHECK); 
    }
}

類初始化首先會判斷是否開啟了編譯重放（Replay Compile）。使用“-XX:CompileCommand=option,ClassName::MethodName,DumpInline”可以將一個方法的編譯信息存放到文件，這樣就可以在下一次運行時使用-XX:+ReplayCompiles -XX:ReplayDataFile=file從文件讀取編譯數據，并創建編譯任務投入編譯隊列，然后進入阻塞狀態，在編譯完成后繼續執行程序。這種“第一次運行存放編譯任務→第二次運行獲取編譯任務→第二次執行編譯”的過程就是編譯重放。

編譯重放固定了編譯順序，而固定的編譯順序減少了虛擬機的不確定性，可用于JIT編譯器性能數據分析和GC性能數據分析等場景。除此之外，虛擬機參數-XX:ReplaySuppressInitializers=<val>的值還可以控制類初始化行為：

? 0：不做特殊處理；

? 1：將所有類初始化代碼視為空；

? 2：將所有應用程序類初始化代碼視為空；

? 3：允許啟動時運行類初始化代碼，但是在重放編譯時忽略它們。

處理了編譯重放后，虛擬機會調用class_initializer()函數，該函數返回當前類的<clinit>方法。類的構造函數和靜態代碼塊在虛擬機中有特殊的名字，前者是<init>，后者則是<clinit>。靜態代碼塊如代碼清單2-15所示。

代碼清單2-15　靜態代碼塊

public class ClinitTest{
    private static int k;
    private static Object obj = new Object();
    static{
        k = 12;
    }
    public static void main(String[] args){
        new ClinitTest();
    }
}

對于代碼清單2-15，Java編譯器會將靜態字段的初始化代碼也放入<clinit>，所以字段k和字段obj的賦值都是在類初始化階段完成的，也正是因為賦值操作需要真實的執行代碼，所以需要在鏈接階段提前設置解釋器入口，以便初始化代碼的執行。在確認class_initializer()返回的當前類的<clinit>方法存在后，虛擬機會將其包裝成methodHandle送入JavaCalls::call執行。

虛擬機和Java溝通的兩座橋梁是JNI和JavaCalls，Java層使用JNI進入JVM層，而JVM層使用JavaCalls進入Java層。JavaCalls可以在HotSpot VM中調用Java方法，main方法執行也是使用這種JavaCalls實現的。關于JavaCalls在第4章會詳細討論。