jvm的类加载器的整体结构及过程解析

前言

我们很多小伙伴平时都是做JAVA开发的，那么作为一名合格的工程师，你是否有仔细的思考过JVM的运行原理呢。

如果懂得了JVM的运行原理和内存模型，像是一些JVM调优、垃圾回收机制等等的问题我们才能有一个更清晰的概念。

为了走进JVM，深入了解底层，王子打算写一个JVM的专题，留下自己对JVM探索的足迹，同时也希望能帮到小伙伴们更好的理解JVM。

那我们开始吧。

JAVA代码的运行流程

首先我们就来聊一聊JAVA代码是怎么运行起来的，这部分比较基础相信大家都知道，就当成是个复习吧。

我们编写的代码都是在java文件中编写的，然后会编译成class字节码文件。

当我们使用到哪个类的时候就会通过类加载器把class字节码文件中的类加载到jvm内存中，然后就是在jvm内存中运行我们的代码了。

整体的运行流程就是这样，相信小伙伴们都很清楚这些，但是有关类加载器是如何把类加载到jvm内存中的，小伙伴们有考虑过吗？

今天我们主要就是聊这一部分。

JVM什么时候加载类

其实说到类加载的底层机制，这是一个很复杂的过程，但是对于我们平时的工作来讲，只要懂得它的核心原理就可以了。

一个类的加载过程会经历如下的几个过程：

加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载

首先我们就先弄明白一个问题，jvm是什么时候去加载类的呢？

其实答案很简单，就是我们什么时候使用到了这个类，它就去class字节码文件中去加载这个类。

而作为程序的入口，具有main方法的类，肯定是最开始的时候就加载到jvm中了。

对于加载类的时间点问题，其实就是这么简单。

类加载器和双亲委派机制

既然我们知道了类加载的时间点，那么jvm是通过什么方式对类进行加载的呢？就是类加载器。

那接下来我们就来聊聊jvm的类加载器。

jvm的类加载器总体上可以分成4层，我们一起看一下。

1.启动类加载器

首先就是jvm启动的第一道关口，启动类加载器Bootstrap ClassLoader，它主要是加载java的核心类。

相信大家都知道，无论是什么环节下运行java程序，都是要安装jvm虚拟机环境的，而在这个环境的目录中是有一个lib文件夹的，这个文件下就是java最核心的类库，支撑着java系统的运行。

所以一旦jvm启动，那么首先就会通过启动类加载器去加载lib文件夹下的核心类库。

2.扩展类加载器

然后我们就到了第二层，扩展类加载器Extension ClassLoader，这个类加载器其实与启动类加载器是类似的。

在我们的jvm虚拟机环境目录下，是有一个lib/ext的文件夹的，这里面的类就是java运行环境的一些扩展类，这些扩展类就是在jvm启动后，通过扩展类加载器进行加载的。

3.应用程序类加载器

加载完核心类库和扩展类，这时候就到了第三层，应用程序类加载器Application ClassLoader，这个类加载器你就可以理解成是加载我们写好的java代码的就可以了。

4.自定义类加载器

前面的三层就是基本的类加载器了，然后第四层是自定义类加载器，根据一些特殊的需求来自己定义类加载器加载我们的类。

整体上类加载器就是这么的4层结构。很多小伙伴可能都听说过双亲委派机制，那么什么是双亲委派机制呢，王子就和大家用最接地气的语言描述一下。

其实很好理解，就是当我们的类加载器要加载一个类的时候，它首先会委派给它的父亲去加载，但是如果它的父亲没找到就会把这个事交给他的孩子自己去完成了。

这就是双亲委派机制。

举个例子，假如我们的应用程序类加载器要加载一个类A，那么首先它会先回家找它老爸扩展类加载器，问问“老爸，你那有这个类A吗？”

然后扩展类加载器接到这个请求之后，同样也懒得处理，再去找它爷爷启动类加载器。

它爷爷找了一圈没找到类A，很生气，就对扩展类加载器说，“我这没有，你自己找去！”

然后扩展类加载器就灰溜溜的自己找了一圈，同样也没找到，这时候就找到应用类加载器了，说：“我这哪有你这个类A，这明明是你自己应该干的活，爱上哪找上哪找去，我不管了”。

这时候应用类加载器就只能自己去处理了，找了一圈发现找到了类A，就把它加载到jvm内存中了。

相信大家看了这个例子应该很容易理解了吧。

所以假设我们自己创建了一个类java.lang.String，它是不会被应用类加载器加载到内存中的，因为父类中可以找到这个类，就直接给加载到内存中了。

聊聊验证、准备、解析、初始化阶段

聊完了加载，我们再来看看验证、准备、解析、初始化这几个阶段jvm都做了什么。

1.验证阶段

这一步其实很容易理解，就是jvm根据java规范，来校验你加载进来的class文件中的内容是否符合规范，如果不符合规范jvm是无法正常运行的。

所以在加载后，首先就是验证阶段。

2.准备阶段

假设我们有一个类A，刚刚加载并通过了验证，那么就会进行准备工作。

这个准备工作其实就是给类A分配一定的内存空间，然后给里面的静态变量(static修饰的变量)也分配内存空间，并赋初始值。

3.解析阶段

这个阶段干的事实际上是把符号引用替换为直接引用，这一过程网上有很多资料，还是比较复杂的，如果感兴趣小伙伴们可以自己查阅一下资料。

实际工作中也很少会接触这部分的内容，所以我们知道有这么个阶段就可以了。

4.初始化阶段

在准备阶段，我们把类A的内存已经分配完了，那么初始化阶段要做些什么事呢？我们先看一下类A的代码

public class A {
    private static String i=System.getProperty("i");
}

准备阶段我们只是给变量i分配了内存空间，并赋值了初始值，但是后边的System.getProperty("i")是不会执行的。

没错，这部分代码就是在初始化阶段执行的，另外静态代码块也会在这一阶段执行。

举个例子，比如我们新建一个对象new A()，此时就会触发从加载到初始化的全过程，把这个类准备好并创建一个实例对象。

此外这里有一个规则，如果类A继承了类B，那么在初始化类A的时候，如果发现类B还没有初始化，会先初始化类B。

扩展

到这里关于JVM的类加载机制其实就已经说完了，王子再给大家扩展一个小知识点。

小伙伴们想过没有，Tomcat也是用java开发的，那么它的类加载机制是什么样的呢，为什么就能支持jsp呢？

其实它就是利用了自定义类加载器这一机制，自己自定义了很多类加载器，整体的结构如下：

Tomcat自定义了这么多的类加载器，用来加载它自己的核心类库，并且Tomcat是打破了双亲委派机制的，感兴趣的小伙伴可以自己去查资料了解一下，王子就不在本篇文章长篇大论来聊Tomcat了。

总结

今天我们聊的内容还是jvm中比较基础的部分，以后的文章我们再慢慢深入，去探索jvm的底层原理，如果对JVM感兴趣的小伙伴可以关注王子的后续文章哦，我们可以一步一个脚印的逐步分解JVM，去了解JVM的垃圾回收机制、性能调优等等实用性问题，让你面对JVM的面试或者生产实践也可以游刃有余。