JVM 入门：Java 虚拟机、类加载机制与双亲委派模型

学习 JVM，不能只把它当成面试题。线程死锁、内存溢出、性能抖动、类冲突、线上排查，很多 Java 项目的重难点最终都会落到 JVM 这一层。

JVM 广义上是一套虚拟机规范，狭义上通常指 JDK 里的具体虚拟机实现。日常说的 JVM，大多指 HotSpot。

为什么要学习 JVM

JVM 解决的是 Java 程序如何运行的问题。

如果只会写业务代码，遇到下面这些问题时就很容易停在表面：

• 为什么一个类明明存在，运行时却报 ClassNotFoundException。
• 为什么两个线程会死锁。
• 为什么堆内存还有空间，应用却频繁 Full GC。
• 为什么修改了 JVM 参数，却没有任何效果。
• 为什么同样的代码在不同 JDK 版本下表现不一样。

JVM 知识不是为了让代码显得复杂，而是为了在问题出现时知道从哪里下手。

Java 技术体系

Java 技术体系不只是 Java 语言本身，通常包括四部分：

组成	说明
Java 程序设计语言	语法、类型系统、面向对象能力
Java 类库 API	JDK 提供的基础类库
第三方类库	商业机构和开源社区提供的库
JVM	执行字节码、管理内存、提供运行时环境

Kotlin、Groovy、Scala、Clojure 等语言也可以运行在 JVM 上，因为 JVM 真正执行的是字节码，而不只服务于 Java 源代码。

类什么时候会被加载

类加载不是 Java 文件写好后就立刻发生，而是在运行时按需进行。

常见触发时机有四类：

1. 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 等指令时，如果类还没有初始化，就会触发初始化。
2. 使用反射调用类时，如果类还没有初始化，也会触发初始化。
3. 初始化子类时，如果父类还没有初始化，会先初始化父类。
4. JVM 启动时，会先初始化用户指定的主类，也就是包含 main 方法的类。

理解这些时机，对排查静态变量初始化顺序、类加载异常和反射行为很有帮助。

类加载过程

类加载完整生命周期可以概括为：

加载 -> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化 -> 使用 -> 卸载

其中前五步最关键。

阶段	主要工作
加载	根据类的全限定名获取二进制字节流，并创建 Class 对象
验证	确认字节码符合 JVM 规范，不会破坏虚拟机安全
准备	为类变量分配内存，并设置默认初始值
解析	将常量池中的符号引用转换为直接引用
初始化	执行类构造器 <clinit>，为静态变量赋程序指定值

加载阶段主要做三件事：

• 通过类的全限定名获取 class 文件的二进制字节流。
• 把字节流里的静态数据结构转换为方法区的运行时数据结构。
• 在堆中创建代表该类的 java.lang.Class 对象。

准备阶段和初始化阶段的区别

准备阶段容易和初始化阶段混淆。

比如：

public class User {
    public static int count = 10;
}

在准备阶段，count 会先被设置为默认值 0；到了初始化阶段，才会执行赋值逻辑，把它设置为 10。

这也是为什么 JVM 类加载看起来抽象，但其实和代码执行顺序强相关。

类加载器有哪些

JVM 的类加载通过 ClassLoader 完成。常见类加载器包括：

类加载器	负责范围
Bootstrap ClassLoader	加载 JDK 核心类库
Extension ClassLoader	加载扩展类库，JDK 9 后机制有所变化
Application ClassLoader	加载应用 classpath 下的类
自定义 ClassLoader	按业务需要加载指定路径、网络、加密 class 等

自定义类加载器通常继承 ClassLoader，重写类查找逻辑，用于插件化、热部署、隔离不同版本依赖等场景。

双亲委派模型

双亲委派模型的核心规则是：一个类加载器收到加载请求后，先把请求交给父加载器处理；父加载器无法加载时，子加载器才尝试自己加载。

流程大致是：

应用类加载器 -> 扩展类加载器 -> 启动类加载器

如果父加载器能加载，就由父加载器完成；如果父加载器加载不了，才向下回到子加载器。

双亲委派解决什么问题

双亲委派主要解决两个问题。

第一是安全。应用不能随便写一个 java.lang.String 替换 JDK 自带的核心类。

第二是类型一致性。同一个类如果被不同类加载器重复加载，JVM 会认为它们是不同类型。双亲委派可以尽量保证核心类由统一加载器加载。

什么时候会打破双亲委派

双亲委派不是绝对不能打破。常见场景包括：

• SPI 机制需要父加载器加载的代码反过来调用子加载器中的实现类。
• Web 容器需要隔离不同应用的依赖。
• 插件系统需要独立加载、卸载插件。
• 热部署需要重新加载某些 class。

打破双亲委派不是为了炫技，而是为了解决隔离、扩展和动态加载问题。

小结

JVM 入门可以先抓住一条线：

1. JVM 是 Java 程序运行的基础环境。
2. 类不是一次性全部加载，而是在运行时按需加载。
3. 类加载过程包括加载、验证、准备、解析、初始化。
4. 类加载器负责把 class 字节码加载进 JVM。
5. 双亲委派模型保证核心类安全和类型一致性。

理解类加载之后，再看运行时数据区、对象创建和 GC，就会顺很多。