探讨Java的类加载机制

Java 语言是一种具有动态性的解释型编程语言，当指定程序运行的时候， Java 虚拟机就将编译生成的 . class 文件按照需求和一定的规则加载进内存，并组织成为一个完整的 Java 应用程序。 Java 语言把每个单独的类 Class 和接口 Implements 编译成单独的一个 . class 文件，这些文件对于 Java 运行环境来说就是一个个可以动态加载的单元。正是因为 Java 的这种特性，我们可以在不重新编译其它代码的情况下，只编译需要修改的单元，并把修改文件编译后的 . class 文件放到 Java 的路径当中， 等到下次该 Java 虚拟机器重新激活时，这个逻辑上的 Java 应用程序就会因为加载了新修改的 .class 文件，自己的功能也做了更新，这就是 Java 的动态性。
1. 预先加载与依需求加载

    Java 运行环境为了优化系统，提高程序的执行速度，在 JRE 运行的开始会将 Java 运行所需要的基本类采用预先加载（ pre-loading ）的方法全部加载要内存当中，因为这些单元在 Java 程序运行的过程当中经常要使用的，主要包括 JRE 的 rt.jar 文件里面所有的 .class 文件。

    当 java.exe 虚拟机开始运行以后，它会找到安装在机器上的 JRE 环境，然后把控制权交给 JRE ， JRE 的类加载器会将 lib 目录下的 rt.jar 基础类别文件库加载进内存，这些文件是 Java 程序执行所必须的，所以系统在开始就将这些文件加载，避免以后的多次 IO 操作，从而提高程序执行效率。
2. 隐式加载和显示加载

    Java 的加载方式分为隐式加载（ implicit ）和显示加载（ explicit ），上面的例子中就是用的隐式加载的方式。所谓隐式加载就是我们在程序中用 new 关键字来定义一个实例变量， JRE 在执行到 new 关键字的时候就会把对应的实例类加载进入内存。隐式加载的方法很常见，用的也很多， JRE 系统在后台自动的帮助用户加载，减少了用户的工作量，也增加了系统的安全性和程序的可读性。

    相对于隐式加载的就是我们不经常用到的显示加载。所谓显示加载就是有程序员自己写程序把需要的类加载到内存当中，
显式加载的方法有：
Class 类的 forName （String s）,
Class forName（String s， boolean flag， ClassLoader classloader） ， s 表示需要加载类的名称， flag 表示在调用该函数加载类的时候是否初始化静态区， classloader 表示加载该类所需的加载器。
. getClass().

4. 类加载器的阶层体系

    当执行 java ***.class 的时候， java.exe 会帮助我们找到 JRE ，接着找到位于 JRE 内部的 jvm.dll ，这才是真正的 Java 虚拟机器 ， 最后加载动态库，激活 Java 虚拟机器。虚拟机器激活以后，会先做一些初始化的动作，比如说读取系统参数等。一旦初始化动作完成之后，就会产生第一个类加载器―― Bootstrap Loader ，这个 Bootstrap Loader 所做的初始工作中，除了一些基本的初始化动作之外，最重要的就是加载 Launcher.java 之中的 ExtClassLoader ，并设定其 Parent 为 null ，代表其父加载器为 BootstrapLoader .然后 Bootstrap Loader 再要求加载 Launcher.java 之中的 AppClassLoader ，并设定其 Parent 为之前产生的 ExtClassLoader 实体。这两个加载器都是以静态类的形式存在的。这里要请大家注意的是， Launcher$ExtClassLoader.class 与 Launcher$AppClassLoader.class 都是由 Bootstrap Loader 所加载，所以 Parent 和由哪个类加载器加载没有关系。


这三个加载器就构成我们的 Java 类加载体系。他们分别从以下的路径寻找程序所需要的类：

BootstrapLoader ： sun.boot.class.path

ExtClassLoader: java.ext.dirs

AppClassLoader: java.class.path

    这三个系统参量可以通过 System.getProperty（） 函数得到具体对应的路径。大家可以自己编程实现查看具体的路径。

4.类加载工作流程：

　　1)调用 findLoadedClass(String) 来查看是否存在已装入的类,如果没有，那么采用那种特殊的神奇方式来获取原始字节。

　　2）通过父类ClassLoader调用loadClass方法，如果父类ClassLoader是null，那么按缺省方式装入类，即系统ClassLoader。

　　3）调用findClass(String)去查找类并获取类；
      a.检查远程 Web 站点，查看是否有所需要的类，如果存在则执行4）操作，如果不存在，执行b 操作。
      b.调用 findSystemClass 查看是否从本地文件系统获取类,如果还是没有，则返回 ClassNotFoundException。


　　4）如果已有原始字节，调用 defineClass 将它们转换成 Class 对象。
如果loadClass 的 resolve 参数的值为true，那么调用 resolveClass 解析 Class 对象.

　　5）如果还没有类，返回 ClassNotFoundException。

　　6）否则，将类返回给调用程序。

5.类加载器方法解读：
方法 loadClass

ClassLoader.loadClass() 是 ClassLoader 的入口点。其特征如下：
Class loadClass( String name, boolean resolve );
name 参数指定了 JVM 需要的类的名称，该名称以包表示法表示，如 Foo 或 java.lang.Object。 resolve 参数告诉方法是否需要解析类。在准备执行类之前，应考虑类解析。并不总是需要解析。如果 JVM 只需要知道该类是否存在或找出该类的超类，那么就不需要解析。

在 Java 版本 1.1 和以前的版本中，loadClass 方法是创建定制的 ClassLoader 时唯一需要覆盖的方法。（Java 2 中 ClassLoader 的变动提供了关于 Java 1.2 中 findClass() 方法的信息。）

方法 defineClass


defineClass 方法是 ClassLoader 的主要诀窍。该方法接受由原始字节组成的数组并把它转换成 Class 对象。原始数组包含如从文件系统或网络装入的数据。

defineClass 管理 JVM 的许多复杂、神秘和倚赖于实现的方面 -- 它把字节码分析成运行时数据结构、校验有效性等等。不必担心，您无需亲自编写它。事实上，即使您想要这么做也不能覆盖它，因为它已被标记成最终的。

方法 findSystemClass


findSystemClass 方法从本地文件系统装入文件。它在本地文件系统中寻找类文件，如果存在，就使用 defineClass 将原始字节转换成 Class 对象，以将该文件转换成类。当运行 Java 应用程序时，这是 JVM 正常装入类的缺省机制。（Java 2 中 ClassLoader 的变动提供了关于 Java 版本 1.2 这个过程变动的详细信息。）

对于定制的 ClassLoader，只有在尝试其它方法装入类之后，再使用 findSystemClass。原因很简单：ClassLoader 是负责执行装入类的特殊步骤，不是负责所有类。例如，即使 ClassLoader 从远程的 Web 站点装入了某些类，仍然需要在本地机器上装入大量的基本 Java 库。而这些类不是我们所关心的，所以要 JVM 以缺省方式装入它们：从本地文件系统。这就是 findSystemClass 的用途。

在大多数定制 ClassLoaders 中，首先调用 findSystemClass 以节省在本地就可以装入的许多 Java 库类而要在远程 Web 站点上查找所花的时间。然而，正如，在下一章节所看到的，直到确信能自动编译我们的应用程序代码时，才让 JVM 从本地文件系统装入类。

方法 resolveClass
正如前面所提到的，可以不完全地（不带解析）装入类，也可以完全地（带解析）装入类。当编写我们自己的 loadClass 时，可以调用 resolveClass，这取决于 loadClass 的 resolve 参数的值。

方法 findLoadedClass
findLoadedClass 充当一个缓存：当请求 loadClass 装入类时，它调用该方法来查看 ClassLoader 是否已装入这个类，这样可以避免重新装入已存在类所造成的麻烦。应首先调用该方法。

　getSystemClassLoader： 如果覆盖 findClass 或 loadClass，getSystemClassLoader 使您能以实际 ClassLoader 对象来访问系统 ClassLoader（而不是固定的从 findSystemClass 调用它）。

　　getParent：为了将类请求委托给父代 ClassLoader，这个新方法允许 ClassLoader 获取它的父代 ClassLoader。当使用特殊方法，定制的 ClassLoader 不能找到类时，可以使用这种方法。
6、一个实现了ClassLoader的例子：

import java.io.*;

public class CompilingClassLoader extends ClassLoader{
//读取一个文件的内容
private byte[] getBytes(String filename) throws IOException{
　File file=new File(filename);
　long len=file.length();
　byte[] raw=new byte[(int)len];

　FileInputStream fin=new FileInputStream(file);

　int r=fin.read(raw);
　if(r!=len) throw new IOException("Can't read all,"+r+"!="+len);

　fin.close();

　return raw;
}

private boolean compile(String javaFile) throws IOException{
　System.out.println("CCL:Compiling "+javaFile+"...");
　//调用系统的javac命令
　Process p=Runtime.getRuntime().exec("javac "+javaFile);
　try{
　　//其他线程都等待这个线程完成
　　p.waitFor();
　}catch(InterruptedException ie){
　　System.out.println(ie);
　}
　int ret=p.exitValue();

　return ret==0;
}

public Class loadClass(String name,boolean resovle) throws ClassNotFoundException{
　Class clas=null;

　clas=findLoadedClass(name);

　//这里说明了包的表示
　String fileStub=name.replace('.','/');

　String javaFilename=fileStub+".java";
　String classFilename=fileStub+".class";

　File javaFile=new File(javaFilename);
　File classFile=new File(classFilename);

　//如果存在class文件就不编译
　if(javaFile.exists()&&(!classFile.exists()||javaFile.lastModified()>classFile.lastModified())){
　　try{
　　　if(!compile(javaFilename)||!classFile.exists()){
　　　　throw new ClassNotFoundException("ClassNotFoundExcetpion:"+javaFilename);
　　　}
　　}catch(IOException ie){
　　　throw new ClassNotFoundException(ie.toString());
　　}
　}

　try{
　　byte[] raw=getBytes(classFilename);

　　//通过读入数据来构造一个类结构，这是核心
　　clas=defineClass(name,raw,0,raw.length);
　}catch(IOException ie){
　　//
　}

　if(clas==null){
　　clas=findSystemClass(name);
　}

　System.out.println("findSystemClass:"+clas);

　if(resovle && clas!=null){
　　resolveClass(clas);
　}

　if(clas==null){
　　throw new ClassNotFoundException(name);
　}

　return clas;
}
}
测试该loader：
import java.lang.reflect.*;

public class TestRun{
　public static void main(String[] args) throws Exception{
　　String progClass=args[0];

　　String progArgs[]=new String[args.length-1];
　　System.arraycopy(args,1,progArgs,0,progArgs.length);

　　CompilingClassLoader ccl=new CompilingClassLoader();

　　Class clas=ccl.loadClass(progClass);

　　//返回一个class的type
　　Class[] mainArgType={(new String[0]).getClass()};
　　Method main=clas.getMethod("main",mainArgType);

　　Object argsArray[]={progArgs};

　　main.invoke(null,argsArray);

　}
}

　　以上的核心内容已经编写完了，编译后，我们得到两个文件：

CompilingClassLoader.class,TestRun.class

　　四、编写一个例子，然后运行我们的ClassLoader

/**
*Hello.java
*/
public class Hello{
　public static void main(String[] args){
　　if(args.length!=1){
　　　System.err.println("Error,exit!");
　　　System.exit(1);
　　}
　　String name=args[0];
　　System.out.println("Hello,"+name);
　}
}