深入研究Java的类加载机制

赵 宇，张洪波

（唐山师范学院 计算机科学系，河北 唐山 063000）

在许多传统语言中，程序是作为启动（startup）过程的一部分立刻被加载的。然后是初始化，紧接着程序开始运行。这些语言的初始化过程必须小心控制，以确保static的初始化顺序不会造成麻烦。例如，如果某个static在另一个static被初始化之前就可以被有效地使用，那么 C++就会出现问题。Java就不会出现这个问题，因为它采用了一种不同的加载方式。由于 Java中的所有事物都是对象，所以许多动作就变得更加容易，加载动作仅仅是其中之一。每个类的编译代码都存在于它自己的独立的文件中。

一般来说，“类的代码在初次使用时才加载”这通常是指知道类的第一个对象被构建时才发生加载，但是当访问static数据成员或是static方法时，也会发生加载。初次使用之处也是静态初始化（static初始化）发生之处。所有的static对象和static代码段都会在加载时依程序中的顺序（即定义类时的书写顺序）依次初始化。当然，static只会被初始化一次。

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，这些文件只在需要使用程序代码时才会被加载。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。

相对于预先加载，在程序中需要使用自己定义的类的时候就要使用依需求加载方法（load-on-demand），就是在Java程序需要用到的时候再加载，以减少内存的消耗，因为Java语言的设计初衷就是面向嵌入式领域的。

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，如下程序代码所示：

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();

}

}

}

通过 Class类的 forName(Strings)方法把自定义类TestClass加载进来，并通过 newInstance()方法把实例初始化。Class的 forName()方法还有另外一种形式：ClassforName(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。

forName(String s)是默认通过

ClassLoader.getCallerClassLoader()调用类加载器的，但是该方法是私有方法，我们无法调用，如果我们想使用

ClassforName(String s，Boolean flag，ClassLoader classloader)来加载类的话，就必须要指定类加载器，可以通过如下的方式来实现：

Tes ttest=new Test();//Test类为自定义的一个测试类；

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

//获取test的类装载器；

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

因为一个类要加载就必需要有加载器，这里我们是通过获取加载Test类的加载器cl当作加载TestClass的类加载器来实现加载的。

3 自定义类加载机制

之前两种类加载方式都是调用系统的类加载器来实现加载的，其实也可以由程序员自己定义类加载器的。利用Java提供的java.net.URLClassLoader类就可以实现，代码如下：

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();}

通过自定义的类加载器实现了 TestClassA类的加载并调用method()方法。分析一下这个程序：首先定义URL指定类加载器从何处加载类，URL可以指向网际网络上的任何位置，也可以指向计算机里的文件系统（包含JAR文件）。上述范例当中是从 file:/d:/test/lib/处寻找类；然后定义URLClassLoader来加载所需的类，最后即可使用该实例了。

4 类加载器的阶层体系

当执行java***.class的时候，java.exe会找到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―BootstrapLoader，BootstrapLoader是由 C++所撰写而成，这个BootstrapLoader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 BootstrapLoader再要求加载 Laun- cher.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。这里要需要注意的是，Launcher$ExtClass- Loader.-class与Launcher$AppClassLoader.class都是由Boot- strapLoader所加载，所以Parent和由哪个类加载器加载没有关系。