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Java类加载与JVM详解：从基础到双亲委托机制

news 2025/9/1 7:34:18

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。

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

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。

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);}@Overridepublic 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.Driverurl=jdbc:mysql://localhost:3306/db01username=rootpassword=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：