Java Class Loader

這是一篇較早時候寫的文章，最近在J道看到一個與classloader有關的討論，於是重新翻出來。

靜態庫、動態串連庫

程式編製一般需經編輯、編譯、串連、載入和運行幾個步驟。在我們的應用中，有一些公用代碼是需要反覆使用，就把這些代碼編譯為“庫”檔案；在串連步驟中，連接器將從庫檔案取得所需的代碼，複製到產生的可執行檔中。這種庫稱為靜態庫，其特點是可執行檔中包含了庫代碼的一份完整拷貝；缺點就是被多次使用就會有多份冗餘拷貝。

為了克服這個缺點可以採用動態串連庫。這個時候連接器僅僅是在可執行檔中打上標誌，說明需要使用哪些動態串連庫；當運行程式時，載入器根據這些標誌把所需的動態串連庫載入到記憶體。

另外在當前的編程環境中，一般都提供方法讓程式在啟動並執行時候把某個特定的動態串連庫載入並運行，也可以將其卸載（例如Win32的LoadLibrary()&FreeLibrary()和Posix的dlopen()&dlclose()）。這個功能被廣泛地用於在程式運行時刻更新某些功能模組或者是程式外觀。

What is ClassLoader?

與普通程式不同的是，Java程式（class檔案）並不是本地的可執行程式。當運行Java程式時，首先運行JVM（Java虛擬機器），然後再把Java class載入到JVM裡頭運行，負責載入Java class的這部分就叫做Class Loader。

JVM本身包含了一個ClassLoader稱為Bootstrap ClassLoader，和JVM一樣，Bootstrap ClassLoader是用本地代碼實現的，它負責載入核心Java Class（即所有java.*開頭的類）。另外JVM還會提供兩個ClassLoader，它們都是用Java語言編寫的，由Bootstrap ClassLoader載入；其中Extension ClassLoader負責載入擴充的Java class（例如所有javax.*開頭的類和存放在JRE的ext目錄下的類），Application ClassLoader負責載入應用程式自身的類。

When to load the class?

什麼時候JVM會使用ClassLoader載入一個類呢？當你使用java去執行一個類，JVM使用Application ClassLoader載入這個類；然後如果類A引用了類B，不管是直接引用還是用Class.forName()引用，JVM就會找到載入類A的ClassLoader，並用這個ClassLoader來載入類B。

Why use your own ClassLoader?

似乎JVM自身的ClassLoader已經足夠了，為什麼我們還需要建立自己的ClassLoader呢？

因為JVM內建的ClassLoader只是懂得從本地檔案系統載入標準的java class檔案，如果編寫你自己的ClassLoader，你可以做到：
1）在執行非置信代碼之前，自動驗證數位簽章
2）動態地建立符合使用者特定需要的定製化構建類
3）從特定的場所取得java class，例如資料庫中
4) 等等

事實上當使用Applet的時候，就用到了特定的ClassLoader，因為這時需要從網路上載入java class，並且要檢查相關的安全資訊。

目前的應用伺服器大都使用了ClassLoader技術，即使你不需要建立自己的ClassLoader，瞭解其原理也有助於更好地部署自己的應用。 

ClassLoader Tree & Delegation Model

當你決定建立你自己的ClassLoader時，需要繼承java.lang.ClassLoader或者它的子類。在執行個體化每個ClassLoader對象時，需要指定一個父物件；如果沒有指定的話，系統自動指定ClassLoader.getSystemClassLoader()為父物件。如：

在Java 1.2後，java class的載入採用所謂的委託模式（Delegation Modle），當調用一個ClassLoader.loadClass()載入一個類的時候，將遵循以下的步驟：
1）檢查這個類是否已經被載入進來了？
2）如果還沒有載入，調用父物件載入該類
3）如果父物件無法載入，調用本對象的findClass()取得這個類。

所以當建立自己的Class Loader時，只需要重載findClass()這個方法。

Unloading? Reloading?

當一個java class被載入到JVM之後，它有沒有可能被卸載呢？我們知道Win32有FreeLibrary()函數，Posix有dlclose()函數可以被調用來卸載指定的動態串連庫，但是Java並沒有提供一個UnloadClass()的方法來卸載指定的類。

在Java中，java class的卸載僅僅是一種對系統的最佳化，有助於減少應用對記憶體的佔用。既然是一種最佳化方法，那麼就完全是JVM自行決定如何?，對Java開發人員來說是完全透明的。

在什麼時候一個java class/interface會被卸載呢？Sun公司的原話是這麼說的："class or interface may be unloaded if and only if its class loader is unreachable. Classes loaded by the bootstrap loader may not be unloaded."

事實上我們關心的不是如何卸載類的，我們關心的是如何更新已經被載入了的類從而更新應用的功能。JSP則是一個非常典型的例子，如果一個JSP檔案被更改了，應用伺服器則需要把更改後的JSP重新編譯，然後載入新產生的類來響應後繼的請求。

其實一個已經載入的類是無法被更新的，如果你試圖用同一個ClassLoader再次載入同一個類，就會得到異常（java.lang.LinkageError: duplicate class definition），我們只能夠重新建立一個新的ClassLoader執行個體來再次載入新類。至於原來已經載入的類，開發人員不必去管它，因為它可能還有執行個體正在被使用，只要相關的執行個體都被記憶體回收了，那麼JVM就會在適當的時候把不會再使用的類卸載。

參考資料及圖片來源——Understanding J2EE Application Server Class Loading Architectures

http://www.blogbus.com/blogbus/blog/diary.php?diaryid=153255