Java类继承关系中的初始化顺序

Java类初始化的顺序经常让人犯迷糊，现在本文尝试着从JVM的角度，对Java非继承和继承关系中类的初始化顺序进行试验，尝试给出JVM角度的解释。

非继承关系中的初始化顺序

对于非继承关系，主类InitialOrderWithoutExtend中包含了静态成员变量（类变量）SampleClass 类的一个实例，普通成员变量SampleClass 类的2个实例（在程序中的顺序不一样）以及一个静态代码块，其中静态代码块中如果静态成员变量sam不为空，则改变sam的引用。main()方法中创建了2个主类对象，打印2个主类对象的静态成员sam的属性s。

代码1：

package com.j2se;

public class InitialOrderWithoutExtend {
    static SampleClass sam = new SampleClass("静态成员sam初始化");
    SampleClass sam1 = new SampleClass("普通成员sam1初始化");
    static {
        System.out.println("static块执行");
        if (sam == null)
            System.out.println("sam is null");
        sam = new SampleClass("静态块内初始化sam成员变量");
    }

    SampleClass sam2 = new SampleClass("普通成员sam2初始化");

    InitialOrderWithoutExtend() {
        System.out.println("InitialOrderWithoutExtend默认构造函数被调用");
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建第1个主类对象
        System.out.println("第1个主类对象：");
        InitialOrderWithoutExtend ts = new InitialOrderWithoutExtend();

        // 创建第2个主类对象
        System.out.println("第2个主类对象：");
        InitialOrderWithoutExtend ts2 = new InitialOrderWithoutExtend();

        // 查看两个主类对象的静态成员：
        System.out.println("2个主类对象的静态对象：");
        System.out.println("第1个主类对象, 静态成员sam.s: " + ts.sam);
        System.out.println("第2个主类对象, 静态成员sam.s: " + ts2.sam);
    }
}

class SampleClass {
    // SampleClass 不能包含任何主类InitialOrderWithoutExtend的成员变量
    // 否则导致循环引用，循环初始化，调用栈深度过大
    // 抛出 * 异常
    // static InitialOrderWithoutExtend iniClass1 = new InitialOrderWithoutExtend("静态成员iniClass1初始化");
    // InitialOrderWithoutExtend iniClass2 = new InitialOrderWithoutExtend("普通成员成员iniClass2初始化");

    String s;

    SampleClass(String s) {
        this.s = s;
        System.out.println(s);
    }

    SampleClass() {
        System.out.println("SampleClass默认构造函数被调用");
    }

    @Override
    public String toString() {
        return this.s;
    }
}

输出结果：

静态成员sam初始化
static块执行
静态块内初始化sam成员变量
第1个主类对象：
普通成员sam1初始化
普通成员sam2初始化
InitialOrderWithoutExtend默认构造函数被调用
第2个主类对象：
普通成员sam1初始化
普通成员sam2初始化
InitialOrderWithoutExtend默认构造函数被调用
2个主类对象的静态对象：
第1个主类对象, 静态成员sam.s: 静态块内初始化sam成员变量
第2个主类对象, 静态成员sam.s: 静态块内初始化sam成员变量

由输出结果可知，执行顺序为：

1. static静态代码块和静态成员
2. 普通成员
3. 构造函数执行

当具有多个静态成员和静态代码块或者多个普通成员时，初始化顺序和成员在程序中申明的顺序一致。

注意到在该程序的静态代码块中，修改了静态成员sam的引用。main()方法中创建了2个主类对象，但是由输出结果可知，静态成员和静态代码块只进行了一次初始化，并且新建的2个主类对象的静态成员sam.s是相同的。由此可知，类的静态成员和静态代码块在类加载中是最先进行初始化的，并且只进行一次。该类的多个实例共享静态成员，静态成员的引用指向程序最后所赋予的引用。

继承关系中的初始化顺序

此处使用了3个类来验证继承关系中的初始化顺序：Father父类、Son子类和Sample类。父类和子类中各自包含了非静态代码区、静态代码区、静态成员、普通成员。运行时的主类为InitialOrderWithExtend类，main()方法中创建了一个子类的对象，并且使用Father对象指向Son类实例的引用（父类对象指向子类引用，多态）。

代码2：

package com.j2se;

public class InitialOrderWithExtend {
    public static void main(String[] args) {
        Father ts = new Son();
    }
}

class Father {
    {
        System.out.println("父类 非静态块 1  执行");
    }
    static {
        System.out.println("父类 static块 1  执行");
    }
    static Sample staticSam1 = new Sample("父类 静态成员 staticSam1 初始化");
    Sample sam1 = new Sample("父类 普通成员 sam1 初始化");
    static Sample staticSam2 = new Sample("父类 静态成员 staticSam2 初始化");
    static {
        System.out.println("父类 static块 2  执行");
    }

    Father() {
        System.out.println("父类 默认构造函数被调用");
    }

    Sample sam2 = new Sample("父类 普通成员 sam2 初始化");

    {
        System.out.println("父类 非静态块 2  执行");
    }

}

class Son extends Father {
    {
        System.out.println("子类 非静态块 1  执行");
    }

    static Sample staticSamSub1 = new Sample("子类 静态成员 staticSamSub1 初始化");

    Son() {
        System.out.println("子类 默认构造函数被调用");
    }

    Sample sam1 = new Sample("子类 普通成员 sam1 初始化");
    static Sample staticSamSub2 = new Sample("子类 静态成员 staticSamSub2 初始化");

    static {
        System.out.println("子类 static块1  执行");
    }

    Sample sam2 = new Sample("子类 普通成员 sam2 初始化");

    {
        System.out.println("子类 非静态块 2  执行");
    }

    static {
        System.out.println("子类 static块2  执行");
    }
}

class Sample {
    Sample(String s) {
        System.out.println(s);
    }

    Sample() {
        System.out.println("Sample默认构造函数被调用");
    }
}

运行结果：

父类 static块 1  执行
父类 静态成员 staticSam1 初始化
父类 静态成员 staticSam2 初始化
父类 static块 2  执行
子类 静态成员 staticSamSub1 初始化
子类 静态成员 staticSamSub2 初始化
子类 static块1  执行
子类 static块2  执行
父类 非静态块 1  执行
父类 普通成员 sam1 初始化
父类 普通成员 sam2 初始化
父类 非静态块 2  执行
父类 默认构造函数被调用
子类 非静态块 1  执行
子类 普通成员 sam1 初始化
子类 普通成员 sam2 初始化
子类 非静态块 2  执行
子类 默认构造函数被调用

由输出结果可知，执行的顺序为：

1. 父类静态代码区和父类静态成员
2. 子类静态代码区和子类静态成员
3. 父类非静态代码区和普通成员
4. 父类构造函数
5. 子类非静态代码区和普通成员
6. 子类构造函数

与非继承关系中的初始化顺序一致的地方在于，静态代码区和父类静态成员、非静态代码区和普通成员是同一级别的，当存在多个这样的代码块或者成员时，初始化的顺序和它们在程序中申明的顺序一致；此外，静态代码区和静态成员也是仅仅初始化一次，但是在初始化过程中，可以修改静态成员的引用。

初始化顺序图示

非继承关系

继承关系

类初始化顺序的JVM解释

类初始化顺序受到JVM类加载机制的控制，类加载机制包括加载、验证、准备、解析、初始化等步骤。不管是在继承还是非继承关系中，类的初始化顺序主要受到JVM类加载时机、解析和clinit()初始化规则的影响。

加载时机

加载是类加载机制的第一个阶段，只有在5种主动引用的情况下，才会触发类的加载，而在其他被动引用的情况下并不会触发类的加载。关于类加载时机和5中主动引用和被动引用详见【深入理解JVM】：类加载机制。其中3种主动引用的形式为：

• 程序启动需要触发main方法的时候，虚拟机会先触发这个类的初始化
• 使用new关键字实例化对象、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、JIT时放入常量池的静态字段除外）、调用一个类的静态方法，会触发初始化
• 当初始化一个类的时候，如果其父类没有初始化，则需要先触发其父类的初始化

代码1中触发main()方法前，需要触发主类InitialOrderWithoutExtend的初始化，主类初始化触发后，对静态代码区和静态成员进行初始化后，打印”第1个主类对象：”，之后遇到newInitialOrderWithoutExtend ts = new InitialOrderWithoutExtend();，再进行其他普通变量的初始化。

代码2是继承关系，在子类初始化前，必须先触发父类的初始化。

类解析在继承关系中的自下而上递归

类加载机制的解析阶段将常量池中的符号引用替换为直接引用，主要针对的是类或者接口、字段、类方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用。关于类的解析过程详见【深入理解JVM】：类加载机制。

而在字段解析、类方法解析、方法类型解析中，均遵循继承关系中自下而上递归搜索解析的规则，由于递归的特性（即数据结构中栈的“后进先出”），初始化的过程则是由上而下、从父类到子类的初始化顺序。

初始化clinit()方法

初始化阶段是执行类构造器方法clinit() 的过程。clinit() 是编译器自动收集类中所有类变量（静态变量）的赋值动作和静态语句块合并生成的。编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的。JVM会保证在子类的clinit() 方法执行之前，父类的clinit() 方法已经执行完毕。

因此所有的初始化过程中clinit()方法，保证了静态变量和静态语句块总是最先初始化的，并且一定是先执行父类clinit()，在执行子类的clinit()。

代码顺序与对象内存布局

在前面的分析中我们看到，类的初始化具有相对固定的顺序：静态代码区和静态变量先于非静态代码区和普通成员，先于构造函数。在相同级别的初始化过程中，初始化顺序与变量定义在程序的中顺序是一致的。

而代码顺序在对象内存布局中同样有影响。（关于JVM对象内存布局详见【深入理解JVM】：Java对象的创建、内存布局、访问定位。）

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。而实例数据是对象真正存储的有效信息，也是程序代码中所定义的各种类型的字段内容。

无论是从父类继承还是子类定义的，都需要记录下来，这部分的存储顺序JVM参数和字段在程序源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oop，从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是分配到一起。满足这个条件的前提下，父类中定义的变量会出现在子类之前。不过，如果启用了JVM参数CompactFields（默认为true，启用），那么子类中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙中。