1．介绍
Class Loaders是动态加载Java类与Resource的一种机制。它支持Laziness，type-safe linkage，user-defined extensibility和multiple communicating namespaces这4种特性。
l Lazy loading：Class只有在需要的时候才加载。这样减少了内存使用量，能提高系统反映速度；
l Type-safe linkage：动态类加载不会破坏JVM的类型安全；
l User-definable class loading policy：开发者可以自定义的类加载器，控制动态类加载过程；
l Multiple namespaces：JVM允许使用不同的类加载器加载相同的Class名称，但不同内容的类。
Class Loaders早在JDK1.0时就已存在，最开始的目的是使HotJava浏览器能加载Applet。从那以后，动态类加载机制被广泛应用到其他方面，例如web application server中Servlets的加载。class loader在JDK 1.0，1.1版本存在的缺陷，已经在JDK 1.2解决，其缺陷主要是编写不正确的Class Loader会造成类型安全问题。
2．Class Loaders
Class Loader的目的是动态加载Java类和Resource。Java类是平台无关的，标准的，具有规范二进制文件格式的。class文件有编译器生成，可以被任何一中JVM加载。Java类的表现形式不仅只有.class文件，还可以为内存buffer，或是网络数据流。
JVM执行class文件内的Byte code。但是Byte code不是class文件的全部内容，class文件内还包含符号表，表示类，属性和方法名，以及类内引用到其他类，属性，和方法名。例如下面的类
class C{
void f(){
D d=new D();
}
}
类文件内类C引用D。为了能让JVM知道D类是什么，JVM必须要先load D的class file并创建D class对象。
JVM使用类加载器加载类文件，并创建Class对象。类加载器都是ClassLoader的子类实例。ClassLoader.loadClass方法通过获得一个类名，返回一个Class对象，表示该类的类型。上面的代码里，假设C被类加载器L加载，则L是C的加载器。JVM将使用L加载所有被C引用到的其他Java类。
如果D还没有被加载，L将加载D：
L.loadClass(“D”)
当D已经被加载，JVM就可以创建D的一个对象实例。
一个Java应用程序可以使用不同类型的类加载器。例如Web Application Server中，Servlet的加载使用开发商自定义的类加载器，java.lang.String在使用JVM系统加载器,Bootstrap Class Loader，开发商定义的其他类则由AppClassLoader加载。在JVM里由类名和类加载器区别不同的Java类型。因此，JVM允许我们使用不同的加载器加载相同namespace的java类，而实际上这些相同namespace的java类可以是完全不同的类。这种机制可以保证JDK自带的java.lang.String是唯一的。
ClassLoader子类需要重载loadClass方法以实现用户自己的类加载方式，下面是自定义一个类加载器例子：
package org.colimas.webapp;
import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;
import java.util.StringTokenizer;
/**
*类加载器加载Servlet，URLClassLoader是ClassLoader的一个子类，可以通过URL加载Java类或其它资源。
* @author 趙磊
*
*/
public class WebAppClassLoader extends URLClassLoader {
private ClassLoader _parent;
public WebAppClassLoader(ClassLoader parent) {
super(new URL[0], parent);
_parent=parent;
if (parent==null)
throw new IllegalArgumentException("no parent classloader!");
}
//追加一个Class Path。
public void addClassPath(String classPath) throws IOException{
if (classPath == null)
return;
StringTokenizer tokenizer= new StringTokenizer(classPath, ",;");
while (tokenizer.hasMoreTokens())
{
URL url=null;
File file=new File(tokenizer.nextToken()).getCanonicalFile();
url=file.toURI().toURL();
addURL(url);
}
}
//加载类
public synchronized Class loadClass(String name)
throws ClassNotFoundException {
return loadClass(name,false);
}
protected synchronized Class loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException {
Class c= findLoadedClass(name);
ClassNotFoundException ex= null;
if (c == null && _parent!=null ){
try{
c= _parent.loadClass(name);
}catch (ClassNotFoundException e){
ex= e;
}
}
if (c == null){
try{
c= this.findSystemClass(name);
}catch (ClassNotFoundException e){
ex= e;
}
}
if (c == null)
throw ex;
if (resolve)
resolveClass(c);
return c;
}
}
loadClass方法中使用findLoadedClass方法检查类是否已经被加载。该方法是Native方法，实现在JVM的ClassLoader.c文件内的Java_java_lang_ClassLoader_findLoadedClass函数。如果返回为null，则表示类还没有被加载，于是在其Parent类加载器重寻找_parent.loadClass，如果仍然返回null，则要在系统中查找，findSystemClass，如果仍然没有，则抛出异常。我们要确保多线程在同一时间只能加载一次，因此需要synchronized。
通常我们需要动态更新一个Class。例如一个Servlet实现发生变化时，我们希望不是重启服务器而是Reload。下面的类ServletWrapper提供了一个Servlet Reload的实现方法：
package org.colimas.webapp;
import javax.servlet.Servlet;
import javax.servlet.ServletConfig;
import javax.servlet.ServletException;
/**
* @author 趙磊
*
*/
public class ServletWrapper {
private Servlet theServlet;
private Class servletClass;
private ServletConfig config;
private String _servletname;
public ServletWrapper(ServletConfig config){
this.config=config;
}
public Servlet getServlet() throws ServletException{
synchronized (this) {
destroy();
try {
WebAppClassLoader loader=new WebAppClassLoader(this.getClass().getClassLoader());
String name=getServletName();
servletClass = loader.loadClass(name);
theServlet = (Servlet) servletClass.newInstance();
} catch( ClassNotFoundException ex1 ) {
} catch( InstantiationException ex ) {
}catch(IllegalAccessException ex2){
}
theServlet.init(config);
}
return theServlet;
}
public void destroy() {
if (theServlet != null) {
theServlet.destroy();
}
}
protected String getServletName(){
return _servletname;
}
}
getServlet()获得一个Servlet对象。首先创建一个新的Servlet类加载器。loader.loadClass加载最新的Servlet，servletClass.newInstance()实例化新的Servlet对象，并theServlet.init(config);让它运行起来。这种方法只有在不改变Servlet的接口时有效的。如果你要加载的类不实现任何接口，那么就不能在ServletWrapper直接使用该类名。而是定义为Object theServlet，并且theServlet = servletClass.newInstance();，而theServlet.init(config);也不得不改写为：
Method m= servletClass.getMethod(“init”,…);
m.invoke(theServlet,…);
3. Type-safe Linkage和Namespace一致性
JVM使用loaded class cache保存class名和加载该class的类加载器。当JVM通过loadClass获得class之后，它执行以下操作：
l 检查传给loadClass的类名是否和真实类名一致；
l 如果一致，则保存到loaded class cache里。
ClassLoader.findLoadedClass就是在loaded class cache查找class是否存在的。
为了保证Type-safe，Sun公司做了很多工作，目前也有不止一个解决方案。例如，增加约束规则（Contraint Rule）等。