Когда может понадобиться самому загружать классы в java?

#java #jvm #classloader

Помогите пожалуйста разобраться с динамической загрузкой классов в java. Как я понимаю,
при старте программы загружаются классы из rt.jar, потом загружается главный класс,
а все остальные пользовательские классы загружаются по мере необходимости (например
класс A загружается только когда в программе создается объект класса A).
Первый мой вопрос заключается в следующем: что собственно значит "JVM загружает класс"?
Имеется в виду что в этот момент происходит компиляция класса?
Так же мне интересно, зачем JVM загружает класс, когда используется его статический
метод? Я провел небольшой эксперимент: написал класс, в котором есть один статический
метод и несколько нестатических. 

public class StExmp {
static{
    c = 5;
}
private int a;
public int getA() {
    return a;
}

public void setA(int a) {
    this.a = a;
}

public int getB() {
    return b;
}

public void setB(int b) {
    this.b = b;
}

private int b;
private static int c;

public StExmp(int a, int b){
    this.a = a;
    this.b = b;
    c = 5;
}

public static void show(){
    System.out.println(c);
}
}


Вызываю статический метод в главном классе StExmp.show();, потом запускаю программу
с флагом -verbose:class и вижу что когда программа дошла до вызова этого метода, она
загрузила весь класс. А почему нельзя загружать только статические члены класса? Ведь
получилось что из-за вызова одного маленького метода пришлось загрузить весь класс,
хотя он больше никак и не используется.
И главный вопрос: Когда может потребоваться самому загружать классы? Например с помощью
ClassLoader.loadClass()? Вот этого я совсем не могу понять. Ведь если мы загружаем
какой то класс, значит мы собираемся его как то использовать? Почему тогда нельзя просто
использовать его в программе (например, создать объект) JVM же сама его загрузит. А
когда это может потребоваться делать методом ClassLoader.loadClass()?
    

Ответы

Ответ 1

Ну и топик. Про загрузку классов можно много чего написать. Тема интересная, правда,
уже 100 лет теорией не занимался. В контексте треда, пожалуй, отвечу на вопросы конкретные.
Если в чём-то не прав, поправляйте, критика приветствуется.


  Первый мой вопрос заключается в следующем: что собственно значит "JVM
  загружает класс"?


У вас есть скомпилированные байт коды классов, ClassLoader их грузить по мере необходимости.

Зачем нам держать в памяти класс, если он не используется? Класс будет загружен только
в момент использования. Точно так же, если на класс не осталось никаких ссылок, то
ClassLoader может выгрузить класс из памяти при проходе GC.


  Имеется в виду что в этот момент происходит компиляция класса?


Ваши классы уже скомпилированы javac. ClassLoader в память его грузит. Это если в
2-х словах, на самом деле там происходит верификация байт-кода и т.п. 


  Так же мне интересно, зачем JVM загружает класс, когда используется
  его статический метод?


Статически метод, константы - это метаданные класса. Не представляю, как их можно
загрузить в отрыве без класс.


  А почему нельзя загружать только статические члены класса? Ведь
  получилось что из-за вызова одного маленького метода пришлось
  загрузить весь класс, хотя он больше никак и не используется.


Предположим, есть у вас:

public class StExmp {
    public static void show(){
      System.out.println(c);
   }
}


Ок, давайте методом рассуждения выведем необходимость грузить класс. Вы хотите, чтобы
метод show был загружен без класса. Но ведь в коде вы потом вызываете метод как StExmp.show()?
Если класс не загружен, как вы себе представляете вызов метода? Ну хорошо, предположим
загрузчик метод добавить в какую-то общую таблицу виртуальных методов. А потом вы создадите
класс:

public class StExmp2 {
    public static void show(){
      System.out.println(c);
    }
}


Метод show загрузчик так же добавит его в общую таблицу статических методов? Проблему
уже видите? Как потом при вызове StExmp2.show() понять какой из этих методов вызвать? 


  Когда может потребоваться самому загружать классы? Например с помощью
  ClassLoader.loadClass()? Вот этого я совсем не могу понять. Ведь если
  мы загружаем какой то класс, значит мы собираемся его как то
  использовать? Почему тогда нельзя просто использовать его в программе
  (например, создать объект) JVM же сама его загрузит. А когда это может
  потребоваться делать методом ClassLoader.loadClass()?


Например, у вас high-load проект. Приложение должно работать непрерывно. Но вам понадобилось
заменить реализацию какого-то метода. Не перезапускать же всё приложение? Если оно
стетйтлесс, то ещё ладно, но если там в памяти много данных/кэш и т.п.? 

Можно заменить налету. Когда это надо? Ну, скажем, вы хотите поправить какой-то критический
баг, оптимизировали метод и т.п.

Тут можно много чего придумать. К примеру у вас игра, в которой есть возможность
добавлять кастомных npc. Вы просто пишите новые класс, который в рантайме подтягивается.
Или просто неизвестно какой класс будет использоваться в итоге, решение принимаете
в рантайме и грузите необходимый класс.

Бывает случаи, когда классы хранятся в базе (да-да, бывает такое). Их иначе и не
загрузить вовсе.


Ответ 2

Итак. По умолчанию класслоадеров всего три но вам никто не мешает определять свой.
Вам никто не мешает грузить классы не из jar или из файлов, а из БД или вообще через
HTTP. Каждый новый класслоадер работает в своем неймспейсе, потому они могут загружать
классы с одинаковым именем, но с абсолютно разным содержимым. В качестве "простого"
примера:

Определим интерфейс Meower, чтоб не мучаться с рефлекшном:

package pkg;

public interface Meower {
    String meow();
}
package pkg;


И вот такую вот конструкцию:

public class Main {
    static String CLASS_NAME = "Cat";
    static String CLASS_V1 =
            "package pkg;\n" +
            "\n" +
            "public class Cat implements Meower {\n" +
            "    public String meow() {\n" +
            "        return \"Meo..ow\";\n" +
            "    }\n" +
            "}\n";
    static String CLASS_V2 =
            "package pkg;\n" +
            "\n" +
            "public class Cat implements Meower {\n" +
            "    public String meow() {\n" +
            "        return \"Mrr, meo..ow\";\n" +
            "    }\n" +
            "}\n";
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // Делаем из строки SourceFile
        SourceFile srcv1 = new SourceFile(CLASS_NAME, CLASS_V1);
        SourceFile srcv2 = new SourceFile(CLASS_NAME, CLASS_V2);
        // Компилируем и загружаем
        ClassLoader clrv1 = new MemoryClassLoader(srcv1);
        ClassLoader clrv2 = new MemoryClassLoader(srcv2);
        // Берем наш класс
        Class clazzv1  = (Class) Class.forName("pkg." + CLASS_NAME,
true, clrv1);
        Class clazzv2  = (Class) Class.forName("pkg." + CLASS_NAME,
true, clrv2);
        // Инстанцируем экземпляры
        Meower ov1 = clazzv1.newInstance();
        Meower ov2 = clazzv2.newInstance();
        // Мяукаем
        System.out.println(ov1.meow()); // Meo..ow
        System.out.println(ov2.meow()); // Mrr, meo..ow
    }
}


Иными словами, немного помучавшись и дописав какую-нибудь Factory я смогу(хоть и
не рекомендую этого делать :)) в рантайме, без остановки JVM, брать исходники откуда-нибудь,
компилировать их на ходу и менять поведение остальной программы.

Также, учитывая сказанное выше, можно придумать еще несколько причин вызвать Class.forName,
наиболее распространенный - заранее прогрузить, а не затормозить когда вызовут. Менее
распространенный - если вы грузите не с локальной файловой системы и хотите убедиться
заранее что класс доступен.

ПС: исходники MemoryClassLoader и SourceFile  я сюда не выкладываю чтоб не получилась
портянка, но они легко гуглятся.