深入探讨Java的类加载机制

类加载是Java程序运行的第一步，研究类的加载有助于了解JVM执行过程，并指导开发者采取更有效的措施配合程序执行。

研究类加载机制的第二个目的是让程序能动态的控制类加载，比如热部署等，提高程序的灵活性和适应性。

 

一、简单过程

 

Java程序运行的场所是内存，当在命令行下执行：

java HelloWorld

命令的时候，JVM会将HelloWorld.class加载到内存中，并形成一个Class的对象HelloWorld.class。

其中的过程就是类加载过程：

1、寻找jre目录，寻找jvm.dll，并初始化JVM；

2、产生一个Bootstrap Loader（启动类加载器）；

3、Bootstrap Loader自动加载Extended Loader（标准扩展类加载器），并将其父Loader设为Bootstrap Loader。

4、Bootstrap Loader自动加载AppClass Loader（系统类加载器），并将其父Loader设为Extended Loader。

5、最后由AppClass Loader加载HelloWorld类。

 

以上就是类加载的最一般的过程。

 

二、类加载器各自搜索的目录

 

为了弄清楚这个问题，首先还要看看System类的API doc文档。

 

 

键	相关值的描述
java.version	Java 运行时环境版本
java.vendor	Java 运行时环境供应商
java.vendor.url	Java 供应商的 URL
java.home	Java 安装目录
java.vm.specification.version	Java 虚拟机规范版本
java.vm.specification.vendor	Java 虚拟机规范供应商
java.vm.specification.name	Java 虚拟机规范名称
java.vm.version	Java 虚拟机实现版本
java.vm.vendor	Java 虚拟机实现供应商
java.vm.name	Java 虚拟机实现名称
java.specification.version	Java 运行时环境规范版本
java.specification.vendor	Java 运行时环境规范供应商
java.specification.name	Java 运行时环境规范名称
java.class.version	Java 类格式版本号
java.class.path	Java 类路径
java.library.path	加载库时搜索的路径列表
java.io.tmpdir	默认的临时文件路径
java.compiler	要使用的 JIT 编译器的名称
java.ext.dirs	一个或多个扩展目录的路径
os.name	操作系统的名称
os.arch	操作系统的架构
os.version	操作系统的版本
file.separator	文件分隔符（在 UNIX 系统中是“/”）
path.separator	路径分隔符（在 UNIX 系统中是“:”）
line.separator	行分隔符（在 UNIX 系统中是“/n”）
user.name	用户的账户名称
user.home	用户的主目录
user.dir	用户的当前工作目录

 

可惜这个帮助文档并不全，直接用程序打印出来如下：

                for (Map.Entry<Object, Object> entry : System.getProperties().entrySet()) {
                        System.out.println(entry.getKey()+"\t" +entry.getValue());
                }

 

java.runtime.name	Java(TM) SE Runtime Environment
sun.boot.library.path	Q:\jdk6\jre\bin
java.vm.version	14.0-b16
java.vm.vendor	Sun Microsystems Inc.
java.vendor.url	http://java.sun.com/
path.separator	;
idea.launcher.port	7532
java.vm.name	Java HotSpot(TM) Client VM
file.encoding.pkg	sun.io
sun.java.launcher	SUN_STANDARD
user.country	CN
sun.os.patch.level	Service Pack 3
java.vm.specification.name	Java Virtual Machine Specification
user.dir	E:\projects\testScanner
java.runtime.version	1.6.0_14-b08
java.awt.graphicsenv	sun.awt.Win32GraphicsEnvironment
java.endorsed.dirs	Q:\jdk6\jre\lib\endorsed
os.arch	x86
java.io.tmpdir	C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\
line.separator
java.vm.specification.vendor	Sun Microsystems Inc.
user.variant
os.name	Windows XP
sun.jnu.encoding	GBK
java.library.path	Q:\jdk6\bin;.;C:\WINDOWS\Sun\Java\bin;C:\WINDOWS\system32;C:\WINDOWS;Q:\jdk6\bin;Q:\JavaFX\javafx-sdk1.2\bin;Q:\JavaFX\javafx-sdk1.2\emulator\bin;C:\WINDOWS\system32;C:\WINDOWS;C:\WINDOWS\System32\Wbem;C:\MySQL Server 5.1\bin;C:\Program Files\StormII\Codec;C:\Program Files\StormII
java.specification.name	Java Platform API Specification
java.class.version	50
sun.management.compiler	HotSpot Client Compiler
os.version	5.1
user.home	d:\我的文档
user.timezone
java.awt.printerjob	sun.awt.windows.WPrinterJob
idea.launcher.bin.path	C:\IDEA8\bin
file.encoding	UTF-8
java.specification.version	1.6
java.class.path	Q:\jdk6\jre\lib\alt-rt.jar;Q:\jdk6\jre\lib\charsets.jar;Q:\jdk6\jre\lib\deploy.jar;Q:\jdk6\jre\lib\javaws.jar;Q:\jdk6\jre\lib\jce.jar;Q:\jdk6\jre\lib\jsse.jar;Q:\jdk6\jre\lib\management-agent.jar;Q:\jdk6\jre\lib\plugin.jar;Q:\jdk6\jre\lib\resources.jar;Q:\jdk6\jre\lib\rt.jar;Q:\jdk6\jre\lib\ext\dnsns.jar;Q:\jdk6\jre\lib\ext\localedata.jar;Q:\jdk6\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;Q:\jdk6\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;Q:\jdk6\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;E:\projects\testScanner\out\production\testScanner;C:\IDEA8\lib\idea_rt.jar
user.name	Administrator
java.vm.specification.version	1
java.home	Q:\jdk6\jre
sun.arch.data.model	32
user.language	zh
java.specification.vendor	Sun Microsystems Inc.
awt.toolkit	sun.awt.windows.WToolkit
java.vm.info	mixed mode, sharing
java.version	1.6.0_14
java.ext.dirs	Q:\jdk6\jre\lib\ext;C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext
sun.boot.class.path	Q:\jdk6\jre\lib\resources.jar;Q:\jdk6\jre\lib\rt.jar;Q:\jdk6\jre\lib\sunrsasign.jar;Q:\jdk6\jre\lib\jsse.jar;Q:\jdk6\jre\lib\jce.jar;Q:\jdk6\jre\lib\charsets.jar;Q:\jdk6\jre\classes
java.vendor	Sun Microsystems Inc.
file.separator	\
java.vendor.url.bug	http://java.sun.com/cgi-bin/bugreport.cgi
sun.io.unicode.encoding	UnicodeLittle
sun.cpu.endian	little
sun.desktop	windows
sun.cpu.isalist

 

1、Bootstrap Loader（启动类加载器）：加载System.getProperty("sun.boot.class.path")所指定的路径或jar。

2、Extended Loader（标准扩展类加载器ExtClassLoader）：加载System.getProperty("java.ext.dirs")所指定的 路径或jar。在使用Java运行程序时，也可以指定其搜索路径，例如：java -Djava.ext.dirs=d:\projects\testproj\classes HelloWorld

 

3、AppClass Loader（系统类加载器AppClassLoader）：加载System.getProperty("java.class.path")所指定的 路径或jar。在使用Java运行程序时，也可以加上-cp来覆盖原有的Classpath设置，例如： java -cp ./lavasoft/classes HelloWorld

 

ExtClassLoader和AppClassLoader在JVM启动后，会在JVM中保存一份，并且在程序运行中无法改变其搜索路径。如果想在运行时从其他搜索路径加载类，就要产生新的类加载器。

 

三、类加载器的特点

 

1、运行一个程序时，总是由AppClass Loader（系统类加载器）开始加载指定的类。

2、在加载类时，每个类加载器会将加载任务上交给其父，如果其父找不到，再由自己去加载。
3、Bootstrap Loader（启动类加载器）是最顶级的类加载器了，其父加载器为null.

 

四、类加载器的获取

 

很容易，看下面例子

public class HelloWorld {
        public static void main(String[] args) {
                HelloWorld hello = new HelloWorld();
                Class c = hello.getClass();
                ClassLoader loader = c.getClassLoader();
                System.out.println(loader);
                System.out.println(loader.getParent());
                System.out.println(loader.getParent().getParent());
        }
}

 

打印结果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@addbf1
null

Process finished with exit code 0

 

从上面的结果可以看出，并没有获取到ExtClassLoader的父Loader，原因是Bootstrap Loader（启动类加载器）是用C语言实现的，找不到一个确定的返回父Loader的方式，于是就返回null。

 

五、类的加载

 

类加载有三种方式：

1、命令行启动应用时候由JVM初始化加载

2、通过Class.forName()方法动态加载

3、通过ClassLoader.loadClass()方法动态加载

 

三种方式区别比较大，看个例子就明白了：

public class HelloWorld {
        public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
                ClassLoader loader = HelloWorld.class .getClassLoader();
                System.out.println(loader);
                //使用ClassLoader.loadClass()来加载类，不会执行初始化块
                loader.loadClass("Test2" );
                //使用Class.forName()来加载类，默认会执行初始化块
//                Class.forName("Test2");
                //使用Class.forName()来加载类，并指定ClassLoader，初始化时不执行静态块
//                Class.forName("Test2", false, loader);
        }
}

 

public class Test2 {
        static {
                System.out.println("静态初始化块执行了！" );
        }
}

 

分别切换加载方式，会有不同的输出结果。

 

六、自定义ClassLoader

 

为了说明问题，先看例子：

package test;

import java.net.MalformedURLException;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;

/**
* 自定义ClassLoader
*
* @author leizhimin 2009-7-29 22:05:48
*/
public class MyClassLoader {
        public static void main(String[] args) throws MalformedURLException, ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {
                URL url = new URL("file:/E:\\projects\\testScanner\\out\\production\\testScanner" );
                ClassLoader myloader = new URLClassLoader(new URL[]{url});
                Class c = myloader.loadClass("test.Test3" );
                System.out.println("----------" );
                Test3 t3 = (Test3) c.newInstance();
        }
}

 

public class Test3 {
        static {
                System.out.println("Test3的静态初始化块执行了！" );
        }
}

 

运行后：

----------
Test3的静态初始化块执行了！

Process finished with exit code 0

 

可以看出自定义了ClassLoader myloader = new URLClassLoader(new URL[]{url});已经成功将类Test3加载到内存了，并通过默认构造方法构造了对象Test3 t3 = (Test3) c.newInstance();

 

有关ClassLoader还有很重要一点：

同一个ClassLoader加载的类文件，只有一个Class实例。但是，如果同一个类文件被不同的ClassLoader载入，则会有两份不同的ClassLoader实例（前提是着两个类加载器不能用相同的父类加载器）。