1 前言

前段时间因为项目的需要，我搞了一套类似Servlet重新载入的一个框架，实现了类的动态载入过程。本文写了一些我的学习成果以及心得供大家分享一下。

2 类载入的原理

（下面引用网上的一篇文章）：

当JVM（Java虚拟机）启动时，会形成由三个类加载器组成的初始类加载器层次结构：

bootstrap classloader
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extension classloader
|
system classloader

bootstrap classloader － 引导（也称为原始）类加载器，它负责加载Java的核心类。在Sun的JVM中，在执行java的命令中使用-Xbootclasspath选项或使用-D选项指定sun.boot.class.path系统属性值可以指定附加的类。这个加载器的是非常特殊的，它实际上不是java.lang.ClassLoader的子类，而是由JVM自身实现的。大家可以通过执行以下代码来获得bootstrap classloader加载了那些核心类库：
URL[] urls=sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
System.out.println(urls.toExternalForm());
}
在我的计算机上的结果为：
file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/dom.jar
file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/sax.jar
file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xalan-2.3.1.jar
file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xercesImpl-2.0.0.jar
file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xml-apis.jar
file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/endorsed/xsltc.jar
file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/rt.jar
file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/i18n.jar
file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/jce.jar
file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/j2sdk1.4.1_01/jre/classes
这时大家知道了为什么我们不需要在系统属性CLASSPATH中指定这些类库了吧，因为JVM在启动的时候就自动加载它们了。

extension classloader － 扩展类加载器，它负责加载JRE的扩展目录（JAVA_HOME/jre/lib/ext或者由java.ext.dirs系统属性指定的）中JAR的类包。这为引入除Java核心类以外的新功能提供了一个标准机制。因为默认的扩展目录对所有从同一个JRE中启动的JVM都是通用的，所以放入这个目录的JAR类包对所有的JVM和system classloader都是可见的。在这个实例上调用方法getParent()总是返回空值null，因为引导加载器bootstrap classloader不是一个真正的ClassLoader实例。所以当大家执行以下代码时：
System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
ClassLoader extensionClassloader=ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
System.out.println("the parent of extension classloader : "+extensionClassloader.getParent());
结果为：
C:\j2sdk1.4.1_01\jre\lib\ext
the parent of extension classloader : null
extension classloader是system classloader的parent，而bootstrap classloader是extension classloader的parent，但它不是一个实际的classloader，所以为null。

system classloader － 系统（也称为应用）类加载器，它负责在JVM被启动时，加载来自在命令java中的-classpath或者java.class.path系统属性或者CLASSPATH操作系统属性所指定的JAR类包和类路径。总能通过静态方法ClassLoader.getSystemClassLoader()找到该类加载器。如果没有特别指定，则用户自定义的任何类加载器都将该类加载器作为它的父加载器。执行以下代码即可获得：
System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
输出结果则为用户在系统属性里面设置的CLASSPATH。
classloader加载类用的是全盘负责委托机制。所谓全盘负责，即是当一个classloader加载一个Class的时候，这个Class所依赖的和引用的所有Class也由这个classloader负责载入，除非是显式的使用另外一个classloader载入；委托机制则是先让parent（父）类加载器(而不是super，它与parent classloader类不是继承关系)寻找，只有在parent找不到的时候才从自己的类路径中去寻找。此外类加载还采用了cache机制，也就是如果cache中保存了这个Class就直接返回它，如果没有才从文件中读取和转换成Class，并存入cache，这就是为什么我们修改了Class但是必须重新启动JVM才能生效的原因。

每个ClassLoader加载Class的过程是：
1.检测此Class是否载入过（即在cache中是否有此Class），如果有到8,如果没有到2
2.如果parent classloader不存在（没有parent，那parent一定是bootstrap classloader了），到4
3.请求parent classloader载入，如果成功到8，不成功到5
4.请求jvm从bootstrap classloader中载入，如果成功到8
5.寻找Class文件（从与此classloader相关的类路径中寻找）。如果找不到则到7.
6.从文件中载入Class，到8.
7.抛出ClassNotFoundException.
8.返回Class.

其中5.6步我们可以通过覆盖ClassLoader的findClass方法来实现自己的载入策略。甚至覆盖loadClass方法来实现自己的载入过程。

类加载器的顺序是：
先是bootstrap classloader，然后是extension classloader，最后才是system classloader。大家会发现加载的Class越是重要的越在靠前面。这样做的原因是出于安全性的考虑，试想如果system classloader“亲自”加载了一个具有破坏性的“java.lang.System”类的后果吧。这种委托机制保证了用户即使具有一个这样的类，也把它加入到了类路径中，但是它永远不会被载入，因为这个类总是由bootstrap classloader来加载的。大家可以执行一下以下的代码：
System.out.println(System.class.getClassLoader());
将会看到结果是null，这就表明java.lang.System是由bootstrap classloader加载的，因为bootstrap classloader不是一个真正的ClassLoader实例，而是由JVM实现的，正如前面已经说过的。

下面就让我们来看看JVM是如何来为我们来建立类加载器的结构的：
sun.misc.Launcher，顾名思义，当你执行java命令的时候，JVM会先使用bootstrap classloader载入并初始化一个Launcher，执行下来代码：
System.out.println("the Launcher's classloader is "+sun.misc.Launcher.getLauncher().getClass().getClassLoader());
结果为：
the Launcher's classloader is null (因为是用bootstrap classloader加载,所以class loader为null)
Launcher会根据系统和命令设定初始化好class loader结构，JVM就用它来获得extension classloader和system classloader,并载入所有的需要载入的Class，最后执行java命令指定的带有静态的main方法的Class。extension classloader实际上是sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类的一个实例，system classloader实际上是sun.misc.Launcher$AppClassLoader类的一个实例。并且都是java.net.URLClassLoader的子类。

让我们来看看Launcher初试化的过程的部分代码。

Launcher的部分代码：
public class Launcher {
public Launcher() {
ExtClassLoader extclassloader;
try {
//初始化extension classloader
extclassloader = ExtClassLoader.getExtClassLoader();
} catch(IOException ioexception) {
throw new InternalError("Could not create extension class loader");
}
try {
//初始化system classloader，parent是extension classloader
loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extclassloader);
} catch(IOException ioexception1) {
throw new InternalError("Could not create application class loader");
}
//将system classloader设置成当前线程的context classloader（将在后面加以介绍）
Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);
......
}
public ClassLoader getClassLoader() {
//返回system classloader
return loader;
}
}

extension classloader的部分代码：
static class Launcher$ExtClassLoader extends URLClassLoader {

public static Launcher$ExtClassLoader getExtClassLoader()
throws IOException
{
File afile[] = getExtDirs();
return (Launcher$ExtClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$1(afile));
}
private static File[] getExtDirs() {
//获得系统属性“java.ext.dirs”
String s = System.getProperty("java.ext.dirs");
File afile[];
if(s != null) {
StringTokenizer stringtokenizer = new StringTokenizer(s, File.pathSeparator);
int i = stringtokenizer.countTokens();
afile = new File;
for(int j = 0; j < i; j++)
afile[j] = new File(stringtokenizer.nextToken());

} else {
afile = new File[0];
}
return afile;
}
}

system classloader的部分代码：
static class Launcher$AppClassLoader extends URLClassLoader
{

public static ClassLoader getAppClassLoader(ClassLoader classloader)
throws IOException
{
//获得系统属性“java.class.path”
String s = System.getProperty("java.class.path");
File afile[] = s != null ? Launcher.access$200(s) : new File[0];
return (Launcher$AppClassLoader)AccessController.doPrivileged(new Launcher$2(s, afile, classloader));
}
}

看了源代码大家就清楚了吧，extension classloader是使用系统属性“java.ext.dirs”设置类搜索路径的，并且没有parent。system classloader是使用系统属性“java.class.path”设置类搜索路径的，并且有一个parent classloader。Launcher初始化extension classloader，system classloader，并将system classloader设置成为context classloader，但是仅仅返回system classloader给JVM。

　　这里怎么又出来一个context classloader呢？它有什么用呢？我们在建立一个线程Thread的时候，可以为这个线程通过setContextClassLoader方法来指定一个合适的classloader作为这个线程的context classloader，当此线程运行的时候，我们可以通过getContextClassLoader方法来获得此context classloader，就可以用它来载入我们所需要的Class。默认的是system classloader。利用这个特性，我们可以“打破”classloader委托机制了，父classloader可以获得当前线程的context classloader，而这个context classloader可以是它的子classloader或者其他的classloader，那么父classloader就可以从其获得所需的Class，这就打破了只能向父classloader请求的限制了。这个机制可以满足当我们的classpath是在运行时才确定,并由定制的classloader加载的时候,由system classloader(即在jvm classpath中)加载的class可以通过context classloader获得定制的classloader并加载入特定的class(通常是抽象类和接口,定制的classloader中是其实现),例如web应用中的servlet就是用这种机制加载的.

好了，现在我们了解了classloader的结构和工作原理，那么我们如何实现在运行时的动态载入和更新呢？只要我们能够动态改变类搜索路径和清除classloader的cache中已经载入的Class就行了，有两个方案，一是我们继承一个classloader，覆盖loadclass方法，动态的寻找Class文件并使用defineClass方法来；另一个则非常简单实用，只要重新使用一个新的类搜索路径来new一个classloader就行了，这样即更新了类搜索路径以便来载入新的Class，也重新生成了一个空白的cache(当然,类搜索路径不一定必须更改)。