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。