???一、從 JDK 到 JVM：Java 運行環境的基石??

????????在 Java 開發領域，JDK（Java Development Kit）是開發者的核心工具包。它不僅包含了編譯 Java 代碼的工具（如 javac），還內置了 JRE（Java Runtime Environment）—— 即 Java 程序的運行時環境。而 JVM（Java Virtual Machine）則是 JRE 的核心，它如同一個 “翻譯官”，將 Java 字節碼轉換為不同操作系統能理解的機器指令，實現了 “一次編寫，到處運行” 的跨平臺特性。

1.JVM 作用

Java 虛擬機負責裝載字節碼到其內部，解釋/編譯為對應平臺上的機器碼指令執行。

現在的 JVM 不僅可以執行 java 字節碼文件,還可以執行其他語言編譯后的字節碼文件,是一個跨語言平臺.?

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程序在執行之前先要把 java 代碼轉換成字節碼（class 文件），jvm首先需要把字節碼通過一定的方式 類加載器（ClassLoader）把文件加載到內存中的運行時數據區（Runtime Data Area） ，而字節碼文件是jvm的一套指令集規范，并不能直接交個底層操作系統去執行，因此需要特定的命令解析器 執行引擎（Execution Engine） 將字節碼翻譯成底層系統指令再交由CPU 去執行，而這個過程中需要調用其他語言的接口本地庫接口（NativeInterface） 來實現整個程序的功能，這就是這 4 個主要組成部分的職責與功能。?

? ? ? ? 比如，當我們運行java HelloWorld時，JVM 首先通過類加載器找到HelloWorld.class文件，將二進制數據讀入內存，創建HelloWorld.class對象。

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二、JVM 模塊劃分與核心功能

JVM 的架構可分為四大模塊：類加載器子系統、運行時數據區、執行引擎和本地方法接口。

1. 類加載器子系統

類加載器負責將字節碼文件加載到 JVM 中。根據職責不同，JVM 提供了三種類加載器：

• 啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader）：用 C/C++ 實現，加載 Java 核心類庫（如rt.jar），位于%JAVA_HOME%/lib目錄。
• 擴展類加載器（Extension ClassLoader）：加載%JAVA_HOME%/jre/lib/ext目錄或java.ext.dirs指定路徑的類庫。
• 應用程序類加載器（Application ClassLoader）：加載用戶類路徑（classpath）下的類，是程序默認的類加載器。

????????類加載器采用雙親委派機制：當一個類加載器收到加載請求時，會先委托父類加載器處理，只有父類無法加載時才嘗試自己加載。這一機制確保了核心類的安全性和唯一性。例如，當嘗試加載java.lang.String時，啟動類加載器會優先加載核心庫中的 String 類，避免用戶自定義類覆蓋核心類。

2. 運行時數據區

運行時數據區是 JVM 在執行程序時分配的內存區域，包含以下部分：

• 程序計數器：記錄當前線程執行的字節碼指令地址，是線程私有的最小內存空間。
• Java 虛擬機棧：每個線程創建時生成，保存方法調用的棧幀（包含局部變量表、操作數棧、方法返回地址等），線程私有，可能出現棧溢出（StackOverflowError）。
• 本地方法棧：管理本地方法（如 C/C++ 實現的方法）的調用。
• 堆內存：存儲對象實例，是 GC（垃圾回收）的主要區域，分為新生代（Eden 和 Survivor 區）和老年代，通過分代收集算法優化回收效率。
• 方法區：存儲類的元數據（如字節碼、靜態變量、常量池），JDK8 后稱為元空間（Metaspace），邏輯上獨立于堆。

3. 執行引擎

執行引擎是 JVM 的 “大腦”，負責將字節碼轉換為機器指令。它包含：

• 解釋器：逐行解釋執行字節碼，啟動快但效率較低。
• JIT 編譯器：將頻繁執行的 “熱點代碼” 編譯為本地機器碼，存儲在方法區的 JIT 緩存中，提升執行效率。
• 垃圾回收器：自動回收不再使用的對象，主要針對堆內存，采用標記 - 復制、標記 - 清除、標記 - 壓縮等算法。

4. 本地方法接口

????????本地方法接口允許 Java 調用非 Java 代碼（如 C/C++），通過本地方法庫實現與操作系統或硬件的交互，例如文件操作、網絡通信等。

三、類加載的核心機制與實踐

1. 類加載的作用與過程

類加載的核心任務是將字節碼文件轉換為 JVM 可識別的 Class 對象。這一過程分為五個階段：

1. 加載（Loading）：通過類的全限定名獲取二進制字節流，生成 Class 對象。
2. 驗證（Verification）：檢查字節碼的安全性和合規性，防止惡意代碼攻擊。
3. 準備（Preparation）：為靜態變量分配內存并設置默認初始值（如 int 初始化為 0）。
4. 解析（Resolution）：將符號引用轉換為直接引用（如將類名轉換為內存地址）。
5. 初始化（Initialization）：執行靜態代碼塊和靜態變量賦值，這是類加載的最后一步。

2. 類加載的觸發時機

????????類加載遵循 “按需加載” 原則，只有在需要使用類時才會觸發。根據 JVM 規范，以下情況會強制加載類（主動引用）：

假設我們有一個 Hello 類

package com.ffyc.classload;/*** 問題：什么時候類會被加載？**/
public class Hello {// 作為靜態成員時，類會被加載static {System.out.println("類被加載了......");}//作為main方法時，類也會被加載public static void main(String[] args) {System.out.println("1111111");}}

TestHello 類?

package com.ffyc.classload;public class TestHello {public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {new Hello(); // 觸發Hello類的初始化，并加載Hello類Class.forName("com.ffyc.classload.Hello");//反射方式加載Hello類}}

3. 類加載的典型案例

(1) 主動引用（必定觸發加載）

• new?實例化對象

  MyClass obj = new MyClass();  // 首次創建對象時加載
  

• 訪問類的靜態變量或靜態方法

  int value = MyClass.staticField;  // 訪問靜態字段
  MyClass.staticMethod();           // 調用靜態方法
  

• 反射調用（Class.forName()）

  Class.forName("com.example.MyClass");  // 通過反射強制加載
  

• 初始化子類時（父類優先加載）

  class Parent {}
  class Child extends Parent {}  
  // 首次使用 Child 時，會先加載 Parent
  

• 作為程序入口的主類（main?方法所在類）

  public class Main {  public static void main(String[] args) {}  // JVM 啟動時加載
  }
  

(2) 被動引用（不會觸發加載）

• 通過子類引用父類的靜態字段

  class Parent { static int value = 10; }
  class Child extends Parent {}
  System.out.println(Child.value);  // 僅加載 Parent，不加載 Child
  

• 通過數組定義類

  MyClass[] arr = new MyClass[10];  // 不會加載 MyClass
  

• 引用常量（常量在編譯期優化）

  class MyClass { final static int VALUE = 10; }
  System.out.println(MyClass.VALUE);  // 不觸發加載（常量池直接訪問）

四、類加載器分類

站在 java 開發人員的角度來看,類加載器就應當劃分得更細致一些. 保持者三層類加載器.

1. 啟動類加載器 (BootStrap ClassLoader)

????????這個類加載器使用 C/C++語言實現,也叫引導類加載器，嵌套在 JVM 內部.它用來加載java 核心類庫.負責加載擴展類加載器和應用類加載器,并為他們指定父類加載器. 出于安全考慮,啟動類加載器只加載存放在\lib 目錄,或者被-Xbootclasspath 參數鎖指定的路徑中存儲放的類.

2.?擴展類加載器(Extension ClassLoader)

????????Java 語言編寫的,由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 實現. 派生于 ClassLoader 類. 從 java.ext.dirs 系統屬性所指定的目錄中加載類庫,或從JDK 系統安裝目錄的jre/lib/ext 子目錄(擴展目錄)下加載類庫.如果用戶創建的jar 放在此目錄下,也會自動由擴展類加載器加載.

3. 應用程序類加載器(系統類加載器 Application ClassLoader)

????????Java 語言編寫的,由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 實現.派生于 ClassLoader 類. 加載我們自己定義的類,用于加載用戶類路徑(classpath)上所有的類. 該類加載器是程序中默認的類加載器.ClassLoader 類 ， 它 是 一 個 抽 象 類 ， 其 后 所 有的類加載器都繼承自ClassLoader（不包括啟動類加載器）

?五、雙親委派機制

????????Java 虛擬機對 class 文件采用的是按需加載的方式,也就是說當需要該類時才會將它的 class 文件加載到內存中生成 class 對象.而且加載某個類的class 文件時,Java 虛擬機采用的是雙親委派模式,即把請求交由父類處理,它是一種任務委派模式.

工作原理:

1. 如果一個類加載器收到了類加載請求,它并不會自己先去加載,而是把這個請求委托給父類的加載器去執行.

2. 如果父類加載器還存在其父類加載器,則進一步向上委托,依次遞歸,請求最終將到達頂層的啟動類加載器.

3. 如果父類加載器可以完成類的加載任務,就成功返回,倘若父類加載器無法完成加載任務,子加載器才會嘗試自己去加載,這就是雙親委派機制. 如果均加載失敗，就會拋出 ClassNotFoundException 異常。

那么思考一下，如果我們自定義一個 String 類，會被加載嗎？

直接上示例去驗證你的答案

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package java.lang;/*** 測試雙親委派機制*/
public class String {static {System.out.println("自定義 String 類被加載！");}
}

package com.ffyc.classload;public class TestHello {public static void main(String[] args) {new Hello(); // 觸發Hello類的初始化，并加載Hello類try {Class.forName("com.ffyc.classload.Hello");//反射方式加載Hello類Class.forName("java.lang.String");} catch (ClassNotFoundException e) {throw new RuntimeException(e);}System.out.println("String類加載器為："+ String.class.getClassLoader()+"所以屬于啟動類加載器");System.out.println("Hello類加載器為："+Hello.class.getClassLoader()+"所以屬于系統類加載器");}}

輸出結果為，并沒有看到??"自定義 String 類被加載！"? 這句話

????????可以看到，自定義的String 類雖然和jdk的String類同包同名，但還是沒有被加載，這就是雙親委派機制，那么問題來了，我就想讓它加載我自己定義的String類，該怎么做？

六、如何打破雙親委派機制

????????Java 虛擬機的類加載器本身可以滿足加載的要求，但是也允許開發者自定義類加載器。 在 ClassLoader 類中涉及類加載的方法有兩個,loadClass(String name), findClass(String name),這兩個方法并沒有被 final 修飾,也就表示其他子類可以重寫. 重寫 findClass 方法 我們可以通過自定義類加載重寫方法打破雙親委派機制, 再例如 tomcat 等都有自己定義的類加載器.

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;public class CustomClassLoader extends ClassLoader {private final String classPath;public CustomClassLoader(String classPath) {this.classPath = classPath;}@Overrideprotected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// 檢查是否已加載過該類Class<?> loadedClass = findLoadedClass(name);if (loadedClass != null) {return loadedClass;}// 打破雙親委派：先嘗試自己加載，再委托父類try {// 自定義加載邏輯（例如從指定路徑加載類）byte[] classBytes = loadClassBytes(name);if (classBytes != null) {return defineClass(name, classBytes, 0, classBytes.length);}} catch (IOException e) {// 加載失敗，繼續委托父類加載器}// 委托父類加載器（保留原有機制的兜底）return super.loadClass(name, resolve);}}private byte[] loadClassBytes(String className) throws IOException {// 將類名轉換為文件路徑（例如com.example.MyClass → /path/com/example/MyClass.class）String path = classPath + File.separator + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";File file = new File(path);if (!file.exists()) {return null;}try (FileInputStream fis = new FileInputStream(file)) {byte[] bytes = new byte[(int) file.length()];fis.read(bytes);return bytes;}}
}

public class Main {public static void main(String[] args) throws Exception {// 創建自定義類加載器，指定加載路徑CustomClassLoader loader = new CustomClassLoader("/path/to/classes");// 加載自定義類（優先從指定路徑加載）Class<?> clazz = loader.loadClass("com.example.MyClass");Object instance = clazz.newInstance();System.out.println(instance.getClass().getClassLoader()); // 輸出：CustomClassLoader}
}

七、總結

????????JVM 的類加載機制是 Java 程序運行的基石，它通過類加載器、運行時數據區和執行引擎的協同工作，確保了程序的跨平臺性和高效執行。理解類加載的過程、時機和類加載器的工作原理，不僅能幫助開發者優化程序性能，還能深入排查類沖突、內存泄漏等問題。無論是日常開發還是高級調優，掌握 JVM 類加載機制都是成為優秀 Java 工程師的必經之路。