动态装载问题的研究

1 问题背景

我们都知道，Java平台一大亮点就在于其类装载器体系结构，这使得JVM可以在运行期从Java API，扩展路经（java.ext.path），classpath以及用户指定的位置（文件或网络）中载入所需的class，从而达到动态装载的目的。然而其类装载器委托模型在保证了安全性和强大功能的同时，也导致了相当的复杂性，有很多地方一旦我们不加注意的话就将导致错误。这里我希望通过一些小例子来展示动态装载的某些方面，深入地了解一下怎么进行动态装载，会遇到什么样的问题，并就问题的原因与解决方法进行讨论。

也许有人会说：我的程序不用什么动态装载，平时运行程序就是java –classpath … myPkg.my不就行了吗？不过我总是听前辈说，要想完全了解一个系统下的程序设计，就必须要深入研究这个平台的特性，做到心中有数，做起程序才不会处处制肘。类的动态装载是Java平台最显著的特征之一，许多著名的项目—Tomcat，Eclipse都使用自定义类装载器来装载运行时所需的类，如果连什么是动态装载和怎么动态装载都没弄明白，还能去玩自定义类装载器吗？所以还是不要浮躁，让我们从基础开始做起吧。

不过，我要说明的是你在看我这篇文章之前最好先熟悉一下Java的类装载器体系结构以及其委托模型，我在这里将不加赘述，推荐先看《Java深度历险》或《深入Java虚拟机》的第八章。

2 问题研究

我要讨论的问题是：让一个在my/目录下名为my.Main的类在运行期读取util/中的util.Tool类。

l 实验一

我的实验目录结构如下

其中my.Main的代码如下：

util.Tool的代码如下：

在my.Main的代码中16行可以看到，我定义了一个URLClassLoader，想要读取在同一根目录下的/util/Tool.class，接下来我们运行如下命令，来查看运行结果：

如上可见，util.Tool被顺利装载了，可是装载它的却是AppClassLoader，而不是我们想要的URLClassLoader！这是为什么呢？

原因很简单，因为我们将util/Tool.class放到了JVM系统变量”user.dir”所指定的目录下，而该JVM系统变量的默认值为程序所在的根目录，相当于把classpath 设置成了 ”.”，也就是相当于执行了命令：

java –classpath . my.Main

于是，正因为util.Tool在classpath下，于是JVM就在在载入my.Main的同时也用AppClassLoader将util.Tool载入到JVM了。我们可以通过如下命令看得更清楚一些：

java –verbose my.Main

看到了吗？由于AppClassLoader预先载入了util.Tool类，而且在URLClassLoader的loadClass()方法中有如下语句：Class cls = getLoadedClass(String className);如果cls!=null的话，loadClass()就会返回已经载入过的（即由AppClassLoader所载入的）util.Tool类，所以我们才会看到以上结果。

l 实验二

为了解决以上问题，我决定按如下方式组织我的目录结构

然后对Main.class进行一些修改：

嗯，这下我们不会为util.Tool被提前载入而烦恼了，因为载入my.Main的AppClassLoader找不到换了位置的util.Tool类了。这回可能有人会问：subdir不是还在”user.dir”所指向的目录下吗？怎么只是多建了一层目录它就找不到了呢？原因是AppClassLoader是URLClassLoader的子类，它在载入class的时候也是根据该类的URL来进行定位的。那我们的例子来说，在“实验一”的最后一个图中我们可以看到，util.Tool被载入的位置为： file1:c:/Test1，JVM得到这个URL之后，将util.Tool中的”.”变为”/”，在所得字符串结尾处加上”.class”，最后将该字符串加到 file1:c:/Test1后面，就得到了最终util.Tool的URL： file1:c:/Test1/util/Tool.class。而当加了一层subdir目录之后，AppClassLoader就找不到 file1:c:/Test1/util/Tool.class了，而只能由程序中定义的URLClassLoader来载入。

这时我们运行程序，所得结果如下：

可以看到，util.Tool确实已经我定义的URLClassLoader被载入并初始化了，可是为什么最后却有一个奇怪的异常呢？NoClassDefFoundError？util.Tool类不是都载入了吗？怎么还找不到它的定义呢？

这个问题需要从JVM的装载机制说起。对于每个JVM实例，除了内置的三个内置的类装载器（BootStrapClassLoader，ExtClassLoader，AppClassLoader）之外，还可能有一些用户自定义的类装载器，而这些类装载器可能在一个程序运行周期内载入同一个类，即AppClassLoader和我自定义的类装载器MyClassLoader可能同时需要载入util.Tool类。为了避免冲突，JVM为每个类装载器都建立一个命名空间，并以此作为其访问边界。例如，如果my.Main想要引用util.Tool类，则它们必须是由同一装载器载入的，也就是说，由于my.Main是由AppClassLoader载入的，那么util.Tool也必须由AppClassLoader载入才行，否则就会出现上述错误。

问题解决的方法很简单，只需要让my.Main和util.Tool由同一类装载器载入就行了。

l 实验三

为了让my.Main和util.Tool由同一类装载器载入，我定义了一个启动类—boot.BootStrap类：