深入研究Java的類加載機制

趙 宇，張洪波

（唐山師范學(xué)院 計算機科學(xué)系，河北 唐山 063000）

在許多傳統(tǒng)語言中，程序是作為啟動（startup）過程的一部分立刻被加載的。然后是初始化，緊接著程序開始運行。這些語言的初始化過程必須小心控制，以確保static的初始化順序不會造成麻煩。例如，如果某個static在另一個static被初始化之前就可以被有效地使用，那么 C++就會出現(xiàn)問題。Java就不會出現(xiàn)這個問題，因為它采用了一種不同的加載方式。由于 Java中的所有事物都是對象，所以許多動作就變得更加容易，加載動作僅僅是其中之一。每個類的編譯代碼都存在于它自己的獨立的文件中。

一般來說，“類的代碼在初次使用時才加載”這通常是指知道類的第一個對象被構(gòu)建時才發(fā)生加載，但是當(dāng)訪問static數(shù)據(jù)成員或是static方法時，也會發(fā)生加載。初次使用之處也是靜態(tài)初始化（static初始化）發(fā)生之處。所有的static對象和static代碼段都會在加載時依程序中的順序（即定義類時的書寫順序）依次初始化。當(dāng)然，static只會被初始化一次。

Java語言是一種具有動態(tài)性的解釋型編程語言，當(dāng)指定程序運行的時候，Java虛擬機就將編譯生成的.class文件按照需求和一定的規(guī)則加載進內(nèi)存，并組織成為一個完整的Java應(yīng)用程序。Java語言把每個單獨的類 Class和接口Implements編譯成單獨的一個.class文件，這些文件對于Java運行環(huán)境來說就是一個個可以動態(tài)加載的單元，這些文件只在需要使用程序代碼時才會被加載。正是因為 Java的這種特性，我們可以在不重新編譯其它代碼的情況下，只編譯需要修改的單元，并把修改文件編譯后的.class文件放到Java的路徑當(dāng)中，等到下次該 Java虛擬機器重新激活時，這個邏輯上的 Java應(yīng)用程序就會因為加載了新修改的.class文件，自己的功能也做了更新，這就是Java的動態(tài)性。

1 預(yù)先加載與依需求加載

Java運行環(huán)境為了優(yōu)化系統(tǒng)，提高程序的執(zhí)行速度，在JRE運行的開始會將 Java運行所需要的基本類采用預(yù)先加載（pre-loading）的方法全部加載要內(nèi)存當(dāng)中，因為這些單元在Java程序運行的過程當(dāng)中經(jīng)常要使用的，主要包括JRE的rt.jar文件里面所有的.class文件。

當(dāng)java.exe虛擬機開始運行以后，它會找到安裝在機器上的JRE環(huán)境，然后把控制權(quán)交給JRE，JRE的類加載器會將lib目錄下的rt.jar基礎(chǔ)類別文件庫加載進內(nèi)存，這些文件是 Java程序執(zhí)行所必須的，所以系統(tǒng)在開始就將這些文件加載，避免以后的多次IO操作，從而提高程序執(zhí)行效率。

相對于預(yù)先加載，在程序中需要使用自己定義的類的時候就要使用依需求加載方法（load-on-demand），就是在Java程序需要用到的時候再加載，以減少內(nèi)存的消耗，因為Java語言的設(shè)計初衷就是面向嵌入式領(lǐng)域的。

2 隱式加載和顯示加載

Java的加載方式分為隱式加載（implicit）和顯示加載（explicit），上面的例子中就是用的隱式加載的方式。所謂隱式加載就是在程序中用new關(guān)鍵字來定義一個實例變量，JRE在執(zhí)行到 new關(guān)鍵字的時候就會把對應(yīng)的實例類加載進入內(nèi)存。隱式加載的方法很常見，用的也很多，JRE系統(tǒng)在后臺自動的幫助用戶加載，減少了用戶的工作量，也增加了系統(tǒng)的安全性和程序的可讀性。

相對于隱式加載的就是不經(jīng)常用到的顯示加載。所謂顯示加載就是有程序員自己寫程序把需要的類加載到內(nèi)存當(dāng)中，如下程序代碼所示：

class TestClass{

public void method(){

System.out.println("TestClass-method");

}

}

public class CLTest{

public static void main(Stringargs[]){

try{

Classc=Class.forName("TestClass");

TestClassobject=(TestClass)c.newInstance();object.method();

}catch(Exceptione){

e.printStackTrace();

}

}

}

通過 Class類的 forName(Strings)方法把自定義類TestClass加載進來，并通過 newInstance()方法把實例初始化。Class的 forName()方法還有另外一種形式：ClassforName(String s，Boolean flag，ClassLoader classloader)，s表示需要加載類的名稱，flag表示在調(diào)用該函數(shù)加載類的時候是否初始化靜態(tài)區(qū)，classloader表示加載該類所需的加載器。

forName(String s)是默認(rèn)通過

ClassLoader.getCallerClassLoader()調(diào)用類加載器的，但是該方法是私有方法，我們無法調(diào)用，如果我們想使用

ClassforName(String s，Boolean flag，ClassLoader classloader)來加載類的話，就必須要指定類加載器，可以通過如下的方式來實現(xiàn)：

Tes ttest=new Test();//Test類為自定義的一個測試類；

ClassLoader cl=test.getClass().getClassLoader();

//獲取test的類裝載器；

Classc=Class.forName("TestClass"，true，cl);

因為一個類要加載就必需要有加載器，這里我們是通過獲取加載Test類的加載器cl當(dāng)作加載TestClass的類加載器來實現(xiàn)加載的。

3 自定義類加載機制

之前兩種類加載方式都是調(diào)用系統(tǒng)的類加載器來實現(xiàn)加載的，其實也可以由程序員自己定義類加載器的。利用Java提供的java.net.URLClassLoader類就可以實現(xiàn)，代碼如下：

try{

URLurl=newURL("file:/d:/test/lib/");

URLClassLoaderurlCL=newURLClassLoader(newURL[]{url});

Classc=urlCL.loadClass("TestClassA");

TestClassAobject=(TestClassA)c.newInstance();object.method();

}catch(Exceptione){e.printStackTrace();}

通過自定義的類加載器實現(xiàn)了 TestClassA類的加載并調(diào)用method()方法。分析一下這個程序：首先定義URL指定類加載器從何處加載類，URL可以指向網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)上的任何位置，也可以指向計算機里的文件系統(tǒng)（包含JAR文件）。上述范例當(dāng)中是從 file:/d:/test/lib/處尋找類；然后定義URLClassLoader來加載所需的類，最后即可使用該實例了。

4 類加載器的階層體系

當(dāng)執(zhí)行java***.class的時候，java.exe會找到JRE，接著找到位于JRE內(nèi)部的jvm.dll，這才是真正的Java虛擬機器，最后加載動態(tài)庫，激活Java虛擬機器。虛擬機器激活以后，會先做一些初始化的動作，比如說讀取系統(tǒng)參數(shù)等。一旦初始化動作完成之后，就會產(chǎn)生第一個類加載器―BootstrapLoader，BootstrapLoader是由 C++所撰寫而成，這個BootstrapLoader所做的初始工作中，除了一些基本的初始化動作之外，最重要的就是加載Launcher.java之中的ExtClassLoader，并設(shè)定其 Parent為null，代表其父加載器為 BootstrapLoader。然后 BootstrapLoader再要求加載 Laun- cher.java之中的AppClassLoader，并設(shè)定其 Parent為之前產(chǎn)生的ExtClassLoader實體。這兩個加載器都是以靜態(tài)類的形式存在的。這里要需要注意的是，Launcher$ExtClass- Loader.-class與Launcher$AppClassLoader.class都是由Boot- strapLoader所加載，所以Parent和由哪個類加載器加載沒有關(guān)系。