這篇文章從基礎(chǔ)講起，比如代碼與數(shù)據(jù)的不同之處是什么，他們是如何構(gòu)成一個(gè)實(shí)例或?qū)ο蟮?。然后深入探討java虛擬機(jī)(JVM)是如何利用類加載器讀取代碼，以及java中類加載器的主要類型。接著用一個(gè)類加載的基本算法看一下類加載器如何加載一個(gè)內(nèi)部類。本文的下一節(jié)演示一段代碼來說明擴(kuò)展和開發(fā)屬于自己的類加載器的必要性。緊接著解釋如何使用定制的類加載器來完成一個(gè)一般意義上的任務(wù)，使其可以加載任意遠(yuǎn)端客戶的代碼，在JVM中定義，實(shí)例化并執(zhí)行它。本文包括了J2EE關(guān)于類加載的規(guī)范——事實(shí)上這已經(jīng)成為了J2EE的標(biāo)準(zhǔn)之一。

　　類與數(shù)據(jù)

　　一個(gè)類代表要執(zhí)行的代碼，而數(shù)據(jù)則表示其相關(guān)狀態(tài)。狀態(tài)時(shí)常改變，而代碼則不會(huì)。當(dāng)我們將一個(gè)特定的狀態(tài)與一個(gè)類相對(duì)應(yīng)起來，也就意味著將一個(gè)類事例化。盡管相同的類對(duì)應(yīng)的實(shí)例其狀態(tài)千差萬別，但其本質(zhì)都對(duì)應(yīng)著同一段代碼。在JAVA中，一個(gè)類通常有著一個(gè).class文件，但也有例外。在JAVA的運(yùn)行時(shí)環(huán)境中(Java runtime)，每一個(gè)類都有一個(gè)以第一類(first-class)的Java對(duì)象所表現(xiàn)出現(xiàn)的代碼，其是java.lang.Class的實(shí)例。我們編譯一個(gè)JAVA文件，編譯器都會(huì)嵌入一個(gè)public, static, final修飾的類型為java.lang.Class，名稱為class的域變量在其字節(jié)碼文件中。因?yàn)槭褂昧藀ublic修飾，我們可以采用如下的形式對(duì)其訪問:

　　java.lang.Class klass = Myclass.class;

　　一旦一個(gè)類被載入JVM中，同一個(gè)類就不會(huì)被再次載入了(切記，同一個(gè)類)。這里存在一個(gè)問題就是什么是“同一個(gè)類”?正如一個(gè)對(duì)象有一個(gè)具體的狀態(tài)，即標(biāo)識(shí)，一個(gè)對(duì)象始終和其代碼(類)相關(guān)聯(lián)。同理，載入JVM的類也有一個(gè)具體的標(biāo)識(shí)，我們接下來看。

　　在JAVA中，一個(gè)類用其完全匹配類名(fully qualified class name)作為標(biāo)識(shí)，這里指的完全匹配類名包括包名和類名。但在JVM中一個(gè)類用其全名和一個(gè)加載類ClassLoader的實(shí)例作為唯一標(biāo)識(shí)。因此，如果一個(gè)名為Pg的包中，有一個(gè)名為Cl的類，被類加載器KlassLoader的一個(gè)實(shí)例kl1加載，Cl的實(shí)例，即C1.class在JVM中表示為(Cl, Pg, kl1)。這意味著兩個(gè)類加載器的實(shí)例(Cl, Pg, kl1) 和 (Cl, Pg, kl2)是不同的，被它們所加載的類也因此完全不同，互不兼容的。那么在JVM中到底有多少種類加載器的實(shí)例?下一節(jié)我們揭示答案。

　　類加載器

　　在JVM中，每一個(gè)類都被java.lang.ClassLoader的一些實(shí)例來加載.類ClassLoader是在包中java.lang里，開發(fā)者可以自由地繼承它并添加自己的功能來加載類。

　　無論何時(shí)我們鍵入java MyMainClass來開始運(yùn)行一個(gè)新的JVM，“引導(dǎo)類加載器(bootstrap class loader)”負(fù)責(zé)將一些關(guān)鍵的Java類，如java.lang.Object和其他一些運(yùn)行時(shí)代碼先加載進(jìn)內(nèi)存中。運(yùn)行時(shí)的類在JRE\lib\rt.jar包文件中。因?yàn)檫@屬于系統(tǒng)底層執(zhí)行動(dòng)作，我們無法在JAVA文檔中找到引導(dǎo)類加載器的工作細(xì)節(jié)?；谕瑯拥脑?，引導(dǎo)類加載器的行為在各JVM之間也是大相徑庭。

　　同理，如果我們按照如下方式:

　　log(java.lang.String.class.getClassLoader());

　　來獲取java的核心運(yùn)行時(shí)類的加載器，就會(huì)得到null。

　　接下來介紹java的擴(kuò)展類加載器。擴(kuò)展庫提供比java運(yùn)行代碼更多的特性，我們可以把擴(kuò)展庫保存在由java.ext.dirs屬性提供的路徑中。

　　(編輯注:java.ext.dirs屬性指的是系統(tǒng)屬性下的一個(gè)key，所有的系統(tǒng)屬性可以通過System.getProperties()方法獲得。在編者的系統(tǒng)中，java.ext.dirs的value是” C:\Program Files\Java\jdk1.5.0_04\jre\lib\ext”。下面將要談到的如java.class.path也同屬系統(tǒng)屬性的一個(gè)key。)

　　類ExtClassLoader專門用來加載所有java.ext.dirs下的.jar文件。開發(fā)者可以通過把自己的.jar文件或庫文件加入到擴(kuò)展目錄的classpath，使其可以被擴(kuò)展類加載器讀取。

　　從開發(fā)者的角度，第三種同樣也是最重要的一種類加載器是AppClassLoader。這種類加載器用來讀取所有的對(duì)應(yīng)在java.class.path系統(tǒng)屬性的路徑下的類。

　　Sun的java指南中，文章“理解擴(kuò)展類加載”(Understanding Extension Class Loading)對(duì)以上三個(gè)類加載器路徑有更詳盡的解釋，這是其他幾個(gè)JDK中的類加載器

　　●java.net.URLClassLoader
　　●java.security.SecureClassLoader
　　●java.rmi.server.RMIClassLoader
　　●sun.applet.AppletClassLoader

　　java.lang.Thread，包含了public ClassLoader getContextClassLoader()方法，這一方法返回針對(duì)一具體線程的上下文環(huán)境類加載器。此類加載器由線程的創(chuàng)建者提供，以供此線程中運(yùn)行的代碼在需要加載類或資源時(shí)使用。如果此加載器未被建立，缺省是其父線程的上下文類加載器。原始的類加載器一般由讀取應(yīng)用程序的類加載器建立。

　　類加載器如何工作?

　　除了引導(dǎo)類加載器，所有的類加載器都有一個(gè)父類加載器，不僅如此，所有的類加載器也都是java.lang.ClassLoader類型。以上兩種類加載器是不同的，而且對(duì)于開發(fā)者自訂制的類加載器的正常運(yùn)行也至關(guān)重要。最重要的方面是正確設(shè)置父類加載器。任何類加載器，其父類加載器是加載該類加載器的類加載器實(shí)例。(記住，類加載器本身也是一個(gè)類!)

　　使用loadClass()方法可以從類加載器中獲得該類。我們可以通過java.lang.ClassLoader的源代碼來了解該方法工作的細(xì)節(jié)，如下:

protected synchronized Class loadClass
    (String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException{

    // First check if the class is already loaded
    Class c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            if (parent != null) {
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                c = findBootstrapClass0(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // If still not found, then invoke
            // findClass to find the class.
            c = findClass(name);
        }
    }
    if (resolve) {
            resolveClass(c);
    }
    return c;
}

　　我們可以使用ClassLoader的兩種構(gòu)造方法來設(shè)置父類加載器:

public class MyClassLoader extends ClassLoader{

    public MyClassLoader(){
        super(MyClassLoader.class.getClassLoader());
    }
}

　　或

public class MyClassLoader extends ClassLoader{

    public MyClassLoader(){
        super(getClass().getClassLoader());
    }
}

　　第一種方式較為常用，因?yàn)橥ǔ２唤ㄗh在構(gòu)造方法里調(diào)用getClass()方法，因?yàn)閷?duì)象的初始化只是在構(gòu)造方法的出口處才完全完成。因此，如果父類加載器被正確建立，當(dāng)要示從一個(gè)類加載器的實(shí)例獲得一個(gè)類時(shí)，如果它不能找到這個(gè)類，它應(yīng)該首先去訪問其父類。如果父類不能找到它(即其父類也不能找不這個(gè)類，等等)，而且如果findBootstrapClass0()方法也失敗了，則調(diào)用findClass()方法。findClass()方法的缺省實(shí)現(xiàn)會(huì)拋出ClassNotFoundException，當(dāng)它們繼承java.lang.ClassLoader來訂制類加載器時(shí)開發(fā)者需要實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法。findClass()的缺省實(shí)現(xiàn)方式如下:

    protected Class findClass(String name)
        throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

　　在findClass()方法內(nèi)部，類加載器需要獲取任意來源的字節(jié)碼。來源可以是文件系統(tǒng)，URL，數(shù)據(jù)庫，可以產(chǎn)生字節(jié)碼的另一個(gè)應(yīng)用程序，及其他類似的可以產(chǎn)生java規(guī)范的字節(jié)碼的來源。你甚至可以使用BCEL (Byte Code Engineering Library:字節(jié)碼工程庫)，它提供了運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建類的捷徑。BCEL已經(jīng)被成功地使用在以下方面:編譯器，優(yōu)化器，混淆器，代碼產(chǎn)生器及其他分析工具。一旦字節(jié)碼被檢索，此方法就會(huì)調(diào)用defineClass()方法，此行為對(duì)不同的類加載實(shí)例是有差異的。因此，如果兩個(gè)類加載實(shí)例從同一個(gè)來源定義一個(gè)類，所定義的結(jié)果是不同的。

　　JAVA語言規(guī)范(Java language specification)詳細(xì)解釋了JAVA執(zhí)行引擎中的類或接口的加載(loading)，鏈接(linking)或初始化(initialization)過程。

　　圖一顯示了一個(gè)主類稱為MyMainClass的應(yīng)用程序。依照之前的闡述，MyMainClass.class會(huì)被AppClassLoader加載。 MyMainClass創(chuàng)建了兩個(gè)類加載器的實(shí)例:CustomClassLoader1 和 CustomClassLoader2,他們可以從某數(shù)據(jù)源(比如網(wǎng)絡(luò))獲取名為Target的字節(jié)碼。這表示類Target的類定義不在應(yīng)用程序類路徑或擴(kuò)展類路徑。在這種情況下，如果MyMainClass想要用自定義的類加載器加載Target類，CustomClassLoader1和CustomClassLoader2會(huì)分別獨(dú)立地加載并定義Target.class類。這在java中有重要的意義。如果Target類有一些靜態(tài)的初始化代碼，并且假設(shè)我們只希望這些代碼在JVM中只執(zhí)行一次，而這些代碼在我們目前的步驟中會(huì)執(zhí)行兩次——分別被不同的CustomClassLoaders加載并執(zhí)行。如果類Target被兩個(gè)CustomClassLoaders加載并創(chuàng)建兩個(gè)實(shí)例Target1和Target2，如圖一顯示，它們不是類型兼容的。換句話說，在JVM中無法執(zhí)行以下代碼:

　　Target target3 = (Target) target2;

　　以上代碼會(huì)拋出一個(gè)ClassCastException。這是因?yàn)镴VM把他們視為分別不同的類，因?yàn)樗麄儽徊煌念惣虞d器所定義。這種情況當(dāng)我們不是使用兩個(gè)不同的類加載器CustomClassLoader1 和 CustomClassLoader2，而是使用同一個(gè)類加載器CustomClassLoader的不同實(shí)例時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)同樣的錯(cuò)誤。這些會(huì)在本文后邊用具體代碼說明。

　　圖1. 在同一個(gè)JVM中多個(gè)類加載器加載同一個(gè)目標(biāo)類

　　關(guān)于類加載、定義和鏈接的更多解釋，請參考Andreas Schaefer的"Inside Class Loaders."

　　為什么我們需要我們自己的類加載器

　　原因之一為開發(fā)者寫自己的類加載器來控制JVM中的類加載行為，java中的類靠其包名和類名來標(biāo)識(shí)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)了java.io.Serializable接口的類，serialVersionUID扮演了一個(gè)標(biāo)識(shí)類版本的重要角色。這個(gè)唯一標(biāo)識(shí)是一個(gè)類名、接口名、成員方法及屬性等組成的一個(gè)64位的哈希字段，而且也沒有其他快捷的方式來標(biāo)識(shí)一個(gè)類的版本。嚴(yán)格說來，如果以上的都匹配，那么則屬于同一個(gè)類。

　　但是讓我們思考如下情況:我們需要開發(fā)一個(gè)通用的執(zhí)行引擎?？梢詧?zhí)行實(shí)現(xiàn)某一特定接口的任何任務(wù)。當(dāng)任務(wù)被提交到這個(gè)引擎，首先需要加載這個(gè)任務(wù)的代碼。假設(shè)不同的客戶對(duì)此引擎提交了不同的任務(wù)，湊巧，這些所有的任務(wù)都有一個(gè)相同的類名和包名?，F(xiàn)在面臨的問題就是這個(gè)引擎是否可以針對(duì)不同的用戶所提交的信息而做出不同的反應(yīng)。這一情況在下文的參考一節(jié)有可供下載的代碼樣例，samepath 和 differentversions，這兩個(gè)目錄分別演示了這一概念。

　　圖2 顯示了文件目錄結(jié)構(gòu)，有三個(gè)子目錄samepath, differentversions, 和 differentversionspush，里邊是例子:

　　圖2. 文件夾結(jié)構(gòu)組織示例

　　在samepath 中，類version.Version保存在v1和v2兩個(gè)子目錄里，兩個(gè)類具有同樣的類名和包名，唯一不同的是下邊這行:

    public void fx(){
        log("this = " + this + "; Version.fx(1).");
    }

　　V1中，日志記錄中有Version.fx(1)，而在v2中則是Version.fx(2)。把這個(gè)兩個(gè)存在細(xì)微不同的類放在一個(gè)classpath下，然后運(yùn)行Test類:

　　set CLASSPATH=.;%CURRENT_ROOT%\v1;%CURRENT_ROOT%\v2

　　%JAVA_HOME%\bin\java Test

　　圖3顯示了控制臺(tái)輸出。我們可以看到對(duì)應(yīng)著Version.fx(1)的代碼被執(zhí)行了，因?yàn)轭惣虞d器在classpath首先看到此版本的代碼。

　　圖3. 在類路徑中samepath測試排在最前面的version 1

　　再次運(yùn)行，類路徑做如下微小改動(dòng)。

　　set CLASSPATH=.;%CURRENT_ROOT%\v2;%CURRENT_ROOT%\v1

　　%JAVA_HOME%\bin\java Test

　　控制臺(tái)的輸出變?yōu)閳D4。對(duì)應(yīng)著Version.fx(2)的代碼被加載，因?yàn)轭惣虞d器在classpath中首先找到它的路徑。

　　圖4. 在類路徑中samepath測試排在最前面的version 2

　　根據(jù)以上例子可以很明顯地看出，類加載器加載在類路徑中被首先找到的元素。如果我們在v1和v2中刪除了version.Version，做一個(gè)非version.Version形式的.jar文件，如myextension.jar，把它放到對(duì)應(yīng)java.ext.dirs的路徑下，再次執(zhí)行后看到version.Version不再被AppClassLoader加載，而是被擴(kuò)展類加載器加載。如圖5所示。

　　圖5. AppClassLoader及ExtClassLoader

　　繼續(xù)這個(gè)例子，文件夾differentversions包含了一個(gè)RMI執(zhí)行引擎，客戶端可以提供給執(zhí)行引擎任何實(shí)現(xiàn)了common.TaskIntf接口的任務(wù)。子文件夾client1 和 client2包含了類client.TaskImpl有個(gè)細(xì)微不同的兩個(gè)版本。兩個(gè)類的區(qū)別在以下幾行:

    static{
        log("client.TaskImpl.class.getClassLoader
        (v1) : " + TaskImpl.class.getClassLoader());
    }

    public void execute(){
        log("this = " + this + "; execute(1)");
    }

　　在client1和client2里分別有g(shù)etClassLoader(v1) 與 execute(1)和getClassLoader(v2) 與 execute(2)的的log語句。并且，在開始執(zhí)行引擎RMI服務(wù)器的代碼中，我們隨意地將client2的任務(wù)實(shí)現(xiàn)放在類路徑的前面。

　　CLASSPATH=%CURRENT_ROOT%\common;%CURRENT_ROOT%\server;

　　%CURRENT_ROOT%\client2;%CURRENT_ROOT%\client1

　　%JAVA_HOME%\bin\java server.Server

　　如圖6，7，8的屏幕截圖，在客戶端VM，各自的client.TaskImpl類被加載、實(shí)例化，并發(fā)送到服務(wù)端的VM來執(zhí)行。從服務(wù)端的控制臺(tái)，可以明顯看到client.TaskImpl代碼只被服務(wù)端的VM執(zhí)行一次，這個(gè)單一的代碼版本在服務(wù)端多次生成了許多實(shí)例，并執(zhí)行任務(wù)。

　　圖6. 執(zhí)行引擎服務(wù)器控制臺(tái)

　　圖6顯示了服務(wù)端的控制臺(tái)，加載并執(zhí)行兩個(gè)不同的客戶端的請求，如圖7，8所示。需要注意的是，代碼只被加載了一次(從靜態(tài)初始化塊的日志中也可以明顯看出)，但對(duì)于客戶端的調(diào)用這個(gè)方法被執(zhí)行了兩次。

　　圖7. 執(zhí)行引擎客戶端 1控制臺(tái)

　　圖7中，客戶端VM加載了含有client.TaskImpl.class.getClassLoader(v1)的日志內(nèi)容的類TaskImpl的代碼，并提供給服務(wù)端的執(zhí)行引擎。圖8的客戶端VM加載了另一個(gè)TaskImpl的代碼，并發(fā)送給服務(wù)端。

　　圖8. 執(zhí)行引擎客戶端 2控制臺(tái)

　　在客戶端的VM中，類client.TaskImpl被分別加載，初始化，并發(fā)送到服務(wù)端執(zhí)行。圖6還揭示了client.TaskImpl的代碼只在服務(wù)端的VM中加載了一次，但這“唯一的一次”卻在服務(wù)端創(chuàng)造了許多實(shí)例并執(zhí)行。或許客戶端1該不高興了因?yàn)椴⒉皇撬腸lient.TaskImpl(v1)的方法調(diào)用被服務(wù)端執(zhí)行了，而是其他的一些代碼。如何解決這一問題?答案就是實(shí)現(xiàn)定制的類加載器。