Java代碼運行在JVM之上，JVM的運行情況對於Java程序至關重要。因此掌握JVM中的關鍵機制會對編寫穩定的，高性能的Java程序至關重要。
JVM規範中定義的標準結構如下圖所示：
JVM負責裝載class文件並執行，class文件通常由類加載器（ClassLoader）來完成加載。class的執行在Sun JDK中有解析執行和編譯爲機器碼執行兩種方式。其中編譯執行又分爲client和server兩種模式。
類加載機制可在運行時動態加載外部的類，遠程網絡下載過來的class文件等。除了動態加載，還可以通過JVM的類加載機制來達到類隔離的效果。
JVM將類加載分爲三個步驟：裝載，鏈接和初始化。裝載和連接過程完成後，即將二進制的字節碼轉換爲Class對象。初始化過程不是加載類時必須觸發的，但必須在初次使用該對象前完成。如下圖所示：
裝載
裝載時，JVM通過類的全名和類加載器來完成類的加載。同時也採用【類全名+ClassLoader實例ID】來標識一個被加載的類。
數組類型名稱爲："[" +（基本類型或L+引用類型類名）。
鏈接
鏈接過程對二進制字節碼格式進行校驗，初始化裝載類中的靜態變量以及解析類中調用的接口，類。
二進制字節碼的格式校驗遵循Java Class File Format規範，如果格式不符合，則拋出VerifyError。校驗過程中如果碰到要引用的其他類和接口，也會進行加載。如果加載失敗，則會拋出NoClassDefFoundError。
完成校驗後，JVM初始化類中的靜態變量，並將其值賦爲默認值。
最後對類中的所有屬性，方法進行驗證，以確保其調用的屬性和方法存在，以及具備相應的權限。如果這個階段失敗，會拋出NoSuchMethodError，NoSuchFieldError等異常。
初始化
初始化過程即執行類中的靜態初始化代碼，構造期待嗎以及靜態屬性的初始化。以下四種情況下初始化過程會被觸發：
- 調用了new。
- 反射調用了類中的方法。
- 子類調用了初始化。
- JVM啓動過程中指定的初始化類。
JVM的類加載通過ClassLoader及其子類來完成，分爲Bootstrap ClassLoader，Extension ClassLoader，System ClassLoader以及User-Defined ClassLoader。這四種ClassLoader的關係如下圖所示：
Bootstrap ClassLoader
Sun JDK採用C++實現此類，此類並非ClassLoader的子類，在代碼中沒有辦法拿到這個對象。Sun JDK啓動時會初始化這個ClassLoader，並由ClassLoader完成$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar裏所有class文件的加載，jar中包含了Java規範定義的所有的接口和實現。
Extension ClassLoader
JVM用此ClassLoader來加載擴展功能的一些jar包，如Sun JDK中目錄下有dns工具jar包等，在Sun JDK中ClassLoader對應的類名爲ExtClassLoader。
System ClassLoader
JVM用此ClassLoader來加載啓動參數中指定的ClassPath中的jar包及目錄，在Sun JDK中ClassLoader對應的類名爲AppClassLoader。
User-Defined ClassLoader
它是由開發人員繼承ClassLoader抽象類自行實現的ClassLoader，基於自定義的ClassLoader可用於加載非Classpath中的jar及目錄。還可以在加載之前對class文件做一些動作，例如解密等。
JVM的ClassLoader採用的是樹形結構，如上圖所示。加載類時通常按照從上到下的原則進行。也就是說，首先應從parent ClassLoader中加載。如果parent ClassLoader中沒有，再從子ClassLoader加載。值得注意的是，由於JVM是採用類名+ClassLoader實例進行加載的，因此加載時不採用上述順序也是可以的。這樣可能會造成多個不同的ClassLoader都加載了某Class，這樣使用時可能會帶來ClassCastException異常。因此在加載類順序上需合理把握，儘量保證從根到最下層的ClassLoader上的Class只加載了一次。
ClassLoader抽象類提供了幾個關鍵的方法用於繼承：
loadClass
此方法負責加載指定名字的類，ClassLoader的實現方法爲：先從已經加載的類中尋找，如沒有，則繼續從parent ClassLoader中尋找；如果仍然沒找到，則從System ClassLoader中尋找，最後在調用findClass方法來尋找。如果要改變類的加載順序，則可覆蓋此方法；如果加載順序相同，則可以通過覆蓋findClass來做特殊處理，例如解密，尋找固定路徑等。當通過整個尋找類的過程仍然未獲取Class對象時，則拋出ClassNotFoundException。如果類需要resolve，則調用resolveClass進行鏈接。
findLoadedClass
此方法負責從當前ClassLoader實例對象的緩存中尋找已經加載的類，調用的爲native的方法。
findClass
此方法直接拋出ClassNotFoundException，因此要通過覆蓋loadClass或此方法來以自定義的方式加載相應的類。
findSystemClass
此方法負責從SystemClassLoader中尋找類，如未找到，則繼續從Bootstrap ClassLoader中尋找，如果仍然未找到，則返回null。
defineClass
此方法負責將二進制字節碼轉換爲Class對象。如果二進制字節碼不符合JVM Class文件格式，則拋出ClassFormatError；如果生成的類名和二進制字節碼中的不同，則拋出NoClassDefFoundError；如果加載的類是受保護的，採用不同簽名的，或者類名是以java.開頭的，則拋出SecurityException；如果加載的class在此ClassLoader中已加載，則拋出LinkageError。
resolveClass
此方法完成Class對象的鏈接，如果鏈接過，則直接返回。
當Java開發人員調用Class.forName來獲取一個對應名稱的class對象時，JVM會從方法棧上尋找第一個ClassLoader，並使用此ClassLoader來加載。JVM爲了保護加載，執行的類的安全，不允許ClassLoader直接卸載加載了的類。只有JVM才能卸載。在Sun JDK中，只有當ClassLoader對象沒有引用時，此CLassLoader對象加載的類纔會被卸載。
類加載方面常見的異常有哪些呢？
ClassNotFoundException
原因是當前ClassLoader加載類時沒有找到相應的類文件。這裏要注意自定義ClassLoader。如果有的話需要具體看一下加載過程。
NoClassDefFoundError
造成此異常的主要原因是加載的類中引用到的另外的類不存在。因此，對於這個異常，需要先看看是加載哪個類報出的，然後再確定該類中引用的類是否存在於當前ClassLoader能加載到的位置。
LinkageError
該異常在自定義ClassLoader的情況下更容易出現，主要原因是此類已經在ClassLoader加載過了，重複的加載會造成該異常，因此要避免在併發的情況下出現這樣的問題。由於JVM這個保護機制，使得JVM中沒辦法直接更新一個已經load的Class，只能創建一個新的ClassLoader來加載更新的class，然後將新的請求轉入該ClassLoader中來獲取類。其他更多的原因是對象狀態的膚質，依賴的設置等。
ClassCastException
該異常由多種原因，在JVM支持範型以後，合理使用範型會減少此異常的觸發。這些原因中比較難查的是兩個A對象由不同的ClassLoader加載的情況，如果一個對象當另一個不同ClassLoader加載的相同對象使用，也會報ClassCastException。
