Java虚拟机（JVM）的动态类加载（Class Loading）

1．介绍

Class Loaders是动态加载Java类与Resource的一种机制。它支持Laziness，type-safe linkage，user-defined extensibility和multiple communicating namespaces这4种特性。

l Lazy loading：Class只有在需要的时候才加载。这样减少了内存使用量，能提高系统反映速度；

l Type-safe linkage：动态类加载不会破坏JVM的类型安全；

l User-definable class loading policy：开发者可以自定义的类加载器，控制动态类加载过程；

l Multiple namespaces：JVM允许使用不同的类加载器加载相同的Class名称，但不同内容的类。

Class Loaders早在JDK1.0时就已存在，最开始的目的是使HotJava浏览器能加载Applet。从那以后，动态类加载机制被广泛应用到其他方面，例如web application server中Servlets的加载。class loader在JDK 1.0，1.1版本存在的缺陷，已经在JDK 1.2解决，其缺陷主要是编写不正确的Class Loader会造成类型安全问题。

2．Class Loaders

Class Loader的目的是动态加载Java类和Resource。Java类是平台无关的，标准的，具有规范二进制文件格式的。class文件有编译器生成，可以被任何一中JVM加载。Java类的表现形式不仅只有.class文件，还可以为内存buffer，或是网络数据流。

JVM执行class文件内的Byte code。但是Byte code不是class文件的全部内容，class文件内还包含符号表，表示类，属性和方法名，以及类内引用到其他类，属性，和方法名。例如下面的类

class C{

void f(){

D d=new D();

}

}

类文件内类C引用D。为了能让JVM知道D类是什么，JVM必须要先load D的class file并创建D class对象。

JVM使用类加载器加载类文件，并创建Class对象。类加载器都是ClassLoader的子类实例。ClassLoader.loadClass方法通过获得一个类名，返回一个Class对象，表示该类的类型。上面的代码里，假设C被类加载器L加载，则L是C的加载器。JVM将使用L加载所有被C引用到的其他Java类。

如果D还没有被加载，L将加载D：

L.loadClass(“D”)

当D已经被加载，JVM就可以创建D的一个对象实例。

一个Java应用程序可以使用不同类型的类加载器。例如Web Application Server中，Servlet的加载使用开发商自定义的类加载器， java.lang.String在使用JVM系统加载器,Bootstrap Class Loader，开发商定义的其他类则由AppClassLoader加载。在JVM里由类名和类加载器区别不同的Java类型。因此，JVM允许我们使用不同的加载器加载相同namespace的java类，而实际上这些相同namespace的java类可以是完全不同的类。这种机制可以保证JDK自带的java.lang.String是唯一的。

ClassLoader子类需要重载loadClass方法以实现用户自己的类加载方式，下面是自定义一个类加载器例子：

package org.colimas.webapp;

import java.io.File;

import java.io.IOException;

import java.net.URL;

import java.net.URLClassLoader;

import java.util.StringTokenizer;

/**

*类加载器加载Servlet，URLClassLoader是ClassLoader的一个子类，可以通过URL加载Java类或其它资源。

* @author 趙磊

*

*/

public class WebAppClassLoader extends URLClassLoader {

private ClassLoader _parent;

public WebAppClassLoader(ClassLoader parent) {

super(new URL[0], parent);

_parent=parent;

if (parent==null)

throw new IllegalArgumentException("no parent classloader!");

}

//追加一个Class Path。

public void addClassPath(String classPath) throws IOException{

if (classPath == null)

return;

StringTokenizer tokenizer= new StringTokenizer(classPath, ",;");

while (tokenizer.hasMoreTokens())

{

URL url=null;

File file=new File(tokenizer.nextToken()).getCanonicalFile();

url=file.toURI().toURL();

addURL(url);

}

}

//加载类

public synchronized Class loadClass(String name)

throws ClassNotFoundException {

return loadClass(name,false);

}

protected synchronized Class loadClass(String name, boolean resolve)

throws ClassNotFoundException {

Class c= findLoadedClass(name);

ClassNotFoundException ex= null;

if (c == null && _parent!=null ){

try{

c= _parent.loadClass(name);

}catch (ClassNotFoundException e){

ex= e;

}

}

if (c == null){

try{

c= this.findSystemClass(name);

}catch (ClassNotFoundException e){

ex= e;

}

}

if (c == null)

throw ex;

if (resolve)

resolveClass(c);

return c;

}

}

loadClass方法中使用findLoadedClass方法检查类是否已经被加载。该方法是Native方法，实现在JVM的ClassLoader.c文件内的Java_java_lang_ClassLoader_findLoadedClass函数。如果返回为null，则表示类还没有被加载，于是在其Parent类加载器重寻找_parent.loadClass，如果仍然返回null，则要在系统中查找，findSystemClass，如果仍然没有，则抛出异常。我们要确保多线程在同一时间只能加载一次，因此需要synchronized。

通常我们需要动态更新一个Class。例如一个Servlet实现发生变化时，我们希望不是重启服务器而是Reload。下面的类ServletWrapper提供了一个Servlet Reload的实现方法：

package org.colimas.webapp;

import javax.servlet.Servlet;

import javax.servlet.ServletConfig;

import javax.servlet.ServletException;

/**

* @author 趙磊

*

*/

public class ServletWrapper {

private Servlet theServlet;

private Class servletClass;

private ServletConfig config;

private String _servletname;

public ServletWrapper(ServletConfig config){

this.config=config;

}

public Servlet getServlet() throws ServletException{

synchronized (this) {

destroy();

try {

WebAppClassLoader loader=new WebAppClassLoader(this.getClass().getClassLoader());

String name=getServletName();

servletClass = loader.loadClass(name);

theServlet = (Servlet) servletClass.newInstance();

} catch( ClassNotFoundException ex1 ) {

} catch( InstantiationException ex ) {

}catch(IllegalAccessException ex2){

}

theServlet.init(config);

}

return theServlet;

}

public void destroy() {

if (theServlet != null) {

theServlet.destroy();

}

}

protected String getServletName(){

return _servletname;

}

}

getServlet()获得一个Servlet对象。首先创建一个新的Servlet类加载器。loader.loadClass加载最新的Servlet，servletClass.newInstance()实例化新的Servlet对象，并theServlet.init(config);让它运行起来。这种方法只有在不改变Servlet的接口时有效的。如果你要加载的类不实现任何接口，那么就不能在ServletWrapper直接使用该类名。而是定义为Object theServlet，并且theServlet = servletClass.newInstance();，而theServlet.init(config);也不得不改写为：

Method m= servletClass.getMethod(“init”,…);

m.invoke(theServlet,…);

3. Type-safe Linkage和Namespace一致性

JVM使用loaded class cache保存class名和加载该class的类加载器。当JVM通过loadClass获得class之后，它执行以下操作：

l 检查传给loadClass的类名是否和真实类名一致；

l 如果一致，则保存到loaded class cache里。

ClassLoader.findLoadedClass就是在loaded class cache查找class是否存在的。

为了保证Type-safe，Sun公司做了很多工作，目前也有不止一个解决方案。例如，增加约束规则（Contraint Rule）等。