Java类加载与JVM详解：从基础到双亲委托机制

在Java开发中，理解JVM（Java虚拟机）和类加载机制是掌握高级特性的关键。本文将从JDK、JRE、JVM的关系入手，深入讲解JVM的内存结构，并详细剖析类加载的全过程，包括加载时机、流程以及核心机制------双亲委托模型。

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一、JDK、JRE、JVM的关系

1.1 三者的核心区别

• JDK（Java Development Kit） ：Java开发工具包，包含编译器（javac）、调试器（jdb）等开发工具，是开发Java程序的必备环境。
• JRE（Java Runtime Environment）：Java运行时环境，包含JVM和Java类库，用于运行Java程序。
• JVM（Java Virtual Machine） ：Java虚拟机，是JRE的核心组件，负责执行字节码（.class文件），并提供内存管理、垃圾回收等功能。

关系图：

1.2 Java程序跨平台原理

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二、JVM内存结构详解

JVM（Java Virtual Machine） 是Java平台的核心组件，它提供了跨平台的 能力，使得Java程序可以在不同的操作系统上运行。JDK中的JVM负责解释和执 行Java字节码文件，同时还提供了内存管理、垃圾回收等功能，使得Java程序能 够高效、安全地运行。

JVM的内存结构是Java程序运行的基石，主要分为以下几部分：

类加载器（Class Loader）：类加载器负责加载Java字节码文件（.class文件）， 并将其转换为可执行的代码。它将类加载到JVM的运行时数据区域中，并解析类 的依赖关系

**运行时数据区（Runtime Data Area）：**运行时数据区域是JVM用于存储程序运行 时数据的区域。它包括以下几个部分：

2.1 核心区域划分

区域	作用	特点
方法区（Method Area）	存储类的元数据（如类结构、常量池、静态变量）	线程共享，可能存在性能瓶颈（如频繁GC）
堆（Heap）	存放对象实例和数组	最大的内存区域，垃圾回收的主要场所
栈（Stack）	存储局部变量、方法调用栈帧	线程私有，生命周期与线程一致
本地方法栈（Native Method Stack）	支持本地方法（如C/C++代码）调用	与JVM栈类似，但服务对象不同
程序计数器（Program Counter）	记录当前线程执行的字节码指令地址	线程私有，唯一不会抛出OOM异常的区域

2.2 执行引擎与垃圾回收

• 执行引擎 ：：执行引擎负责执行编译后的字节码指令，将其 转换为机器码并执行。它包括解释器 和**即时编译器（Just-In-Time Compiler， JIT）**两个部分，用于提高程序的执行效率。
• 垃圾回收器（GC）：：垃圾回收器负责自动回收不再使用的对象和 释放内存空间。它通过标记-清除、复制、标记-整理等算法来进行垃圾回收
• 本地方法接口（Native Method Interface）：本地方法接口允许Java程序调用本 地方法，即使用其他语言编写的代码。

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三、类加载机制详解

类加载是Java动态性的核心，JVM通过类加载器将.class文件加载到内存，并完成初始化。

JVM架构及执行流程如下：

解释执行：

class文件内容，需要交给JVM进行解释执行，简单理解就是JVM解释一行就 执行一行代码。所以如果Java代码全是这样的运行方式的话，效率会稍低一 些。

JIT（Just In Time）即时编译：

执行代码的另一种方式，JVM可以把Java中的 热点代码直接编译成计算机可 以运行的二进制指令，这样后续再调用这个热点代码的时候，就可以直接运 行编译好的指令，大大提高运行效率。

3.1 类加载器

类加载器可以将编译得到的 .class文件 （存储在磁盘上的物理文件）加载在 到内存中。

3.2 加载时机

当第一次使用到某个类时，该类的class文件会被加载到内存方法区。

3.3 加载过程

类加载的过程：加载、验证、准备、解析、初始化

具体加载步骤：

注意事项：

类加载过程是按需进行的，即在首次使用类时才会触发类的加载和初始化。此 外，类加载过程是由Java虚拟机的类加载器负责完成的，不同的类加载器可能有 不同的加载策略和行为。
类加载小节：

JVM的类加载过程包括加载、验证、准备、解析和初始化等阶段，它们共同完 成将Java类加载到内存中，并为类的静态变量分配内存、解析符号引用、执行静 态代码块等操作，最终使得类可以被正确地使用和执行。

3.4 加载器分类

JDK8类加载器可以分为以下四类：

3.5 双亲委托机制（Parent Delegation Model）

双亲委托机制是Java类加载器的一种工作机制，通过层级加载和委托父类加载器 来加载类，确保类的唯一性、安全性和模块化。在学习这个知识点之前，大家看 下面题目。

1）问题引入

用户自定义类java.lang.String，在测试类main方法中使用该类，思考： 类加载器到底加载是哪个类，是JDK提供的String，还是用户自定义的String？

自定义String类：

package java.lang;

import java.util.Arrays;

public class String {
    private char[] arr;

    public String() {
        System.out.println("in String() ...");
        arr = new char[10];
    }

    public String(char[] array) {
        System.out.println("in String(char[]) ...");
        int len = array.length;
        arr = new char[len];
        System.arraycopy(array, 0, arr, 0, len);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "MyString: " + Arrays.toString(arr);
    }
}

测试类：

import java.lang.String;
 
public class Test035_String {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = new String();
        
        System.out.println("s1: " + s1);
    }
 }

从运行效果可知：最终加载的类是JDK提供的java.lang.String

为什么？答案是双亲委托机制！

2）双亲委托机制

如果一个类加载器收到类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求 委托给父类的加载器去执行，如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向 上委托，最终加载请求会到达顶层的启动类加载器 Bootstrap ClassLoader 。

如果顶层类加载器可以完成加载任务，则进行class文件类加载，加载成功后返 回。如果当前类加载器无法加载，则向下委托给子类加载器，此时子类加载器才 会尝试加载，成功则返回，失败则继续往下委托，如果所有的加载器都无法加载 该类，则会抛出ClassNotFoundException，这就是双亲委托机制。

3.6 常用方法

案例展示：

准备一个jdbc的配置文件 jdbc.properties ，借助类加载器中方法解析，遍 历输出其配置内容。

配置文件 jdbc.properties ：

 driverClass=com.mysql.jdbc.Driver
 url=jdbc:mysql://localhost:3306/db01
 username=root
 password=briup

测试类：

 import java.io.IOException;
 import java.io.InputStream;
 import java.util.Map.Entry;
 import java.util.Properties;
 import java.util.Set;
 // static ClassLoader getSystemClassLoader()    
获取系统类加载器
// InputStream getResourceAsStream(String name) 加载当前类class
文件相同目录下资源文件
public class Test036_LoadFile {
 public static void main(String[] args) throws IOException 
{
        //1.获取系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = 
ClassLoader.getSystemClassLoader();
 
        //2.利用加载器去加载一个指定的文件
        // 参数：文件的路径（注意，该路径为相对路径，相对于当前类
class文件存在的目录）
        // 返回值：字节流
        InputStream is = 
systemClassLoader.getResourceAsStream("jdbc.properties");
        System.out.println("is: " + is);
 
        //3.实例化Properties对象，解析配置文件内容并输出
        Properties prop = new Properties();
        prop.load(is);
 
        //配置文件内容遍历
        Set<Entry<Object, Object>> entrySet = prop.entrySet();
        for (Entry<Object, Object> entry : entrySet) {
            String key = (String) entry.getKey();
            String value = (String) entry.getValue();
            
            System.out.println(key + ": " + value);
        }
 
        //4.关闭流
        is.close();
    }
 }

运行效果：

注意事项：getResourceAsStream(String path)，参数path是相对路径，相对当前 测试类class文件所在的目录！

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总结

本文从JDK/JRE/JVM的关系入手，深入解析了JVM的内存结构和类加载机制，重点讲解了双亲委托模型的设计原理和作用。理解这些内容有助于优化程序性能、排查类加载冲突问题，并为后续学习反射、动态代理等高级特性打下基础。