JVM加载class文件的原理机制
1 JVM简介
JVM是我们Javaer的最基本功底了，刚开始学Java的时候，一般都是从“Hello World”开始的，然后会写个复杂点class，然后再找一些开源框架，比如Spring，Hibernate等等，再然后就开发企业级的应用，比如网站、企业内部应用、实时交易系统等等，直到某一天突然发现做的系统咋就这么慢呢，而且时不时还来个内存溢出什么的，今天是交易系统报了StackOverflowError，明天是网站系统报了个OutOfMemoryError，这种错误又很难重现，只有分析Javacore和dump文件，运气好点还能分析出个结果，运行遭的点，就直接去庙里烧香吧！每天接客户的电话都是战战兢兢的，生怕再出什么幺蛾子了。我想Java做的久一点的都有这样的经历，那这些问题的最终根结是在哪呢？—— JVM。
JVM全称是Java Virtual Machine，Java虚拟机，也就是在计算机上再虚拟一个计算机，这和我们使用 VMWare不一样，那个虚拟的东西你是可以看到的，这个JVM你是看不到的，它存在内存中。我们知道计算机的基本构成是：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备，那这个JVM也是有这成套的元素，运算器是当然是交给硬件CPU还处理了，只是为了适应“一次编译，随处运行”的情况，需要做一个翻译动作，于是就用了JVM自己的命令集，这与汇编的命令集有点类似，每一种汇编命令集针对一个系列的CPU，比如8086系列的汇编也是可以用在8088上的，但是就不能跑在8051上，而JVM的命令集则是可以到处运行的，因为JVM做了翻译，根据不同的CPU，翻译成不同的机器语言。
JVM中我们最需要深入理解的就是它的存储部分，存储？硬盘？NO，NO， JVM是一个内存中的虚拟机，那它的存储就是内存了，我们写的所有类、常量、变量、方法都在内存中，这决定着我们程序运行的是否健壮、是否高效，接下来的部分就是重点介绍之。
2 JVM的组成部分
我们先把JVM这个虚拟机画出来，如下图所示：
从这个图中可以看到，JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。我们再来看下JVM有哪些组成部分，如下图所示：
该图参考了网上广为流传的JVM构成图，大家看这个图，整个JVM分为四部分：q Class Loader 类加载器
类加载器的作用是加载类文件到内存，比如编写一个HelloWord.java程序，然后通过javac编译成class文件，那怎么才能加载到内存中被执行呢？Class Loader承担的就是这个责任，那不可能随便建立一个.class文件就能被加载的，Class Loader加载的class文件是有格式要求，在《JVM Specification》中式这样定义Class文件的结构：
ClassFile {
u4magic;
u2minor_version;
u2 major_version;
u2constant_pool_count;
cp_infoconstant_pool[constant_pool_count-1];
u2access_flags;
u2this_class;
u2super_class;
u2interfaces_count;
u2interfaces[interfaces_count];
u2fields_count;
field_infofields[fields_count];
u2methods_count;
method_infomethods[methods_count];
u2attributes_count;
attribute_infoattributes[attributes_count];
}
需要详细了解的话，可以仔细阅读《JVM Specification》的第四章“The class File Format”，这里不再详细说明。
友情提示：ClassLoader只管加载，只要符合文件结构就加载，至于说能不能运行，则不是它负责的，那是由ExecutionEngine负责的。
q Execution Engine 执行引擎
执行引擎也叫做解释器(Interpreter)，负责解释命令，提交操作系统执行。
q Native Interface本地接口
本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用，它的初衷是融合C/C++程序，Java诞生的时候是C/C++横行的时候，要想立足，必须有一个聪明的、睿智的调用C/C++程序，于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native的代码，它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies。目前该方法使用的是越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java程序驱动打印机，或者Java系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见，因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket通信，也可以使用Web Service等等，不多做介绍。
q Runtime data area运行数据区
运行数据区是整个JVM的重点。我们所有写的程序都被加载到这里，之后才开始运行，Java生态系统如此的繁荣，得益于该区域的优良自治，下一章节详细介绍之。
整个JVM框架由加载器加载文件，然后执行器在内存中处理数据，需要与异构系统交互是可以通过本地接口进行，瞧，一个完整的系统诞生了！
JVM加载class文件的原理机制
1.Java中的所有类，必须被装载到jvm中才能运行，这个装载工作是由jvm中的类装载器完成的,类装载器所做的工作实质是把类文件从硬盘读取到内存中
2.java中的类大致分为三种：
1.系统类
2.扩展类
3.由程序员自定义的类
3.类装载方式，有两种
1.隐式装载，程序在运行过程中当碰到通过new等方式生成对象时，隐式调用类装载器加载对应的类到jvm中，
2.显式装载，通过class.forname()等方法，显式加载需要的类
隐式加载与显式加载的区别：
两者本质是一样?，
4.类加载的动态性体现
一个应用程序总是由n多个类组成，Java程序启动时，并不是一次把所有的类全部加载后再
运行，它总是先把保证程序运行的基础类一次性加载到jvm中，其它类等到jvm用到的时候再加载，这样的好处是节省了内存的开销，因为java最早就是为嵌入式系统而设计的，内存宝贵，这是一种可以理解的机制，而用到时再加载这也是java动态性的一种体现
5．java类装载器
Java中的类装载器实质上也是类，功能是把类载入jvm中，值得注意的是jvm的类装载器并不是一个，而是三个，层次结构如下：
BootstrapLoader-负责加载系统类
|
--ExtClassLoader-负责加载扩展类
|
--AppClassLoader-负责加载应用类
为什么要有三个类加载器，一方面是分工，各自负责各自的区块，另一方面为了实现委托模型，下面会谈到该模型
6.类加载器之间是如何协调工作的
前面说了，java中有三个类加载器，问题就来了，碰到一个类需要加载时，它们之间是如何协调工作的，即java是如何区分一个类该由哪个类加载器来完成呢。
在这里java采用了委托模型机制，这个机制简单来讲，就是“类装载器有载入类的需求时，会先请示其Parent使用其搜索路径帮忙载入，如果Parent找不到,那么才由自己依照自己的搜索路径搜索类”，注意喔，这句话具有递归性
/**
* @author Jamson Huang
*
*/
public
class
TestClass {
/**
* @param args
*/
public
static
void
main(String[] args)
throws
Exception{
//调用class加载器
ClassLoader cl = TestClass.class
.getClassLoader();
System.out.println(cl);
//调用上一层Class加载器
ClassLoader clParent = cl.getParent();
System.out.println(clParent);
//调用根部Class加载器
ClassLoader clRoot = clParent.getParent();
System.out.println(clRoot);
}
} /**
* @author Jamson Huang
*
*/
public class TestClass {
/**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) throws Exception{
//调用class加载器
ClassLoader cl = TestClass.class.getClassLoader();
System.out.println(cl);
//调用上一层Class加载器
ClassLoader clParent = cl.getParent();
System.out.println(clParent);
//调用根部Class加载器
ClassLoader clRoot = clParent.getParent();
System.out.println(clRoot);
}
}/**
* @author Jamson Huang
*
*/
public
class
Test1 {
/**
* @param args
*/
public
static
void
main(String[] args)
throws
Exception {
System.out.println(Test1.class
.getClassLoader());
Test2 test2 = new
Test2();
test2.print();
}
}
/**
* @author Jamson Huang
*
*/
public
class
Test2 {
public
void
print(){
System.out.println(Test2.class
);
System.out.println(this
.getClass());
System.out.println(Test2.class
.getClassLoader());
}
} /**
* @author Jamson Huang
*
*/
public class Test1 {
/**
* @param args
*/
public static void main(String[] args)throws Exception {
System.out.println(Test1.class.getClassLoader());
Test2 test2 = new Test2();
test2.print();
}
}
/**
* @author Jamson Huang
*
*/
public class Test2 {
public void print(){
System.out.println(Test2.class);
System.out.println(this.getClass());
System.out.println(Test2.class.getClassLoader());
}
}try
{
URL url = new
URL(
"file:/d:/test/lib/"
);
URLClassLoader urlCL = new
URLClassLoader(
new
URL[]{url});
Class c = urlCL.loadClass("TestClassA"
);
TestClassA object = (TestClassA)c.newInstance();
object.method();
}catch
(Exception e){
e.printStackTrace();
} try{
URL url = new URL("file:/d:/test/lib/");
URLClassLoader urlCL = new URLClassLoader(new URL[]{url});
Class c = urlCL.loadClass("TestClassA");
TestClassA object = (TestClassA)c.newInstance();
object.method();
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}我们通过自定义的类加载器实现了TestClassA类的加载并调用method（）方法。分析一下这个程序：首先定义URL指定类加载器从何处加载类，URL可以指向网际网络上的任何位置，也可以指向我们计算机里的文件系统(包含JAR文件)。上述范例当中我们从file:/d:/test/lib/处寻找类；然后定义URLClassLoader来加载所需的类，最后即可使用该实例了。
9.类加载器的阶层体系
讨论了这么多以后，接下来我们仔细研究一下Java的类加载器的工作原理：
当执行java***.class的时候，java.exe会帮助我们找到JRE，接着找到位于JRE内部的jvm.dll，这才是真正的Java虚拟机器,最后加载动态库，激活Java虚拟机器。虚拟机器激活以后，会先做一些初始化的动作，比如说读取系统参数等。一旦初始化动作完成之后，就会产生第一个类加载器――BootstrapLoader，BootstrapLoader是由C++所撰写而成，这个BootstrapLoader所做的初始工作中，除了一些基本的初始化动作之外，最重要的就是加载Launcher.java之中的ExtClassLoader，并设定其Parent为null，代表其父加载器为BootstrapLoader。然后BootstrapLoader再要求加载Launcher.java之中的AppClassLoader，并设定其Parent为之前产生的ExtClassLoader实体。这两个加载器都是以静态类的形式存在的。这里要请大家注意的是，Launcher$ExtClassLoader.class与Launcher$AppClassLoader.class都是由BootstrapLoader所加载，所以Parent和由哪个类加载器加载没有关系。
下面的图形可以表示三者之间的关系：
BootstrapLoader<---(Extends)----AppClassLoader<---(Extends)----ExtClassLoader
这三个加载器就构成我们的Java类加载体系。他们分别从以下的路径寻找程序所需要的类：
BootstrapLoader：sun.boot.class.path
ExtClassLoader:java.ext.dirs
AppClassLoader:java.class.path
这三个系统参量可以通过System.getProperty()函数得到具体对应的路径。大家可以自己编程实现查看具体的路径。