Wo die JVM die Klassen findet muss ihr mitgeteilt werden, und das ist in der Praxis elementar für die Auslieferung, auch englisch Deloyment genannt. Java wartet mit dem Laden der Klassen so lange, bis sie benötigt werden. Es gibt zum Beispiel Programmabläufe nur zu besonderen Bedingungen und wenn dann erst spät ein neuer Typ referenziert wird, der nicht vorhanden ist, fällt dieser Fehler erst sehr spät auf. Der JVM müssen folglich nicht nur die Quellen für Klassen und Ressourcen der eigenen Applikation mitgeteilt werden, sondern alle vom Programm referenzierten Typen aus zum Beispiel quelloffenen und kommerziellen Bibliotheken.

Sollen in einem Java-Projekt Dateien aus einem Verzeichnis oder einem externen Java-Archiv geholt werden, so ist der übliche Weg, diese Verzeichnisse oder Archive in einem Klassenpfad anzugeben. Diese Angabe ist für alle SDK-Werkzeuge notwendig – am Häufigsten ist sie beim Compiler und bei der Laufzeitumgebung zu sehen.

Schalter -classpath

Die Suchorte lassen sich flexibel angeben, wobei die erste Variante einem SDK-Werkzeug über den Schalter -classpath (kurz -cp) die Klassendateien bzw. Archive liefert:

$ java -classpath classpath1;classpath2 MainClass

Der Klassenpfad enthält Wurzelverzeichnisse der Pakete und JAR-Dateien, also Archive von Klassendateien und Ressourcen.

Beispiel: Nimm ein Java-Archiv library.jar im aktuellen Verzeichnis, die Ressourcen unter dem bin-Verzeichnis und alle JAR-Dateien im Verzeichnis lib in den Klassenpfad mit auf:

$ java -cp "library.jar;bin/.;lib/*" com.tutego.MainClass

Unter Windows ist der Trenner ein Semikolon, unter Unix ein Doppelpunkt! Das Sternchen steht für alle JAR-Dateien, es ist kein üblicher Wildcard, wie z.B. parser*.jar.[1] Sehen Kommandozeilen der Betriebssysteme ein *, beginnen sie in der Regel eine eigenen Verarbeitung; daher muss die gesamte Pfadangabe in doppelten Anführungszeichen stehen.

Umgebungsvariable CLASSPATH

Eine Alternative zum Schalter -cp ist das Setzen der Umgebungsvariablen CLASSPATH mit einer Zeichenfolge, die Pfadangaben spezifiziert:

$ SET CLASSPATH=classpath1;classpath2
$ java MainClass

Problematisch ist der globale Charakter der Variablen, sodass lokale -cp-Angaben besser sind. Außerdem „überschreiben“ die -cp-Optionen die Einträge in CLASSPATH. Zu guter Letzt: ist weder CLASSPATH noch eine -cp-Option gesetzt, besteht der Klassenpfad für die JVM nur aus dem aktuellen Verzeichnis, also „.“.

[1]      Weitere Details unter https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/windows/classpath.html.

Ein Klassenlader ist dafür verantwortlich, eine Klasse zu laden. Aus der Datenquelle (im Allgemeinen einer Datei) liefert der Klassenlader ein Byte-Array mit den Informationen, die im zweiten Schritt dazu verwendet werden, die Klasse ins Laufzeitsystem einzubringen; das ist Linking. Es gibt vordefinierte Klassenlader und die Möglichkeit, eigene Klassenlader zu schreiben, um etwa verschlüsselte und komprimierte .class-Dateien aus Datenbanken zu laden.

Klassenladen auf Abruf

Nehmen wir zu Beginn ein einfaches Programm mit zwei Klassen:

class Person {
   static String NOW = java.time.LocalDateTime.now().toString();

   public static void main( String[] args ) {
     Dog wuffi = new Dog();
   }
 }
 
 class Dog {
   Person master;
 }

Wenn die Laufzeitumgebung das Programm Person startet, muss sie eine Reihe von Klassen laden. Das tut sie dynamisch zur Laufzeit. Sofort wird klar, dass es zumindest Person sein muss. Wenn aber die statische main(String[])-Methode aufgerufen wird, muss auch Dog geladen sein. Und da beim Laden einer Klasse auch die statischen Variablen initialisiert werden, wird auch die Klasse LocalDateTime geladen.

Zwei weitere Dinge werden nach einiger Überlegung deutlich:

• Wenn Dog geladen wird, bezieht es sich auf Person. Da Person aber schon geladen ist, muss es nicht noch einmal geladen werden.
• Unsichtbar stecken noch andere referenzierte Klassen dahinter, die nicht direkt sichtbar sind. So wird zum Beispiel Object geladen, da implizit in der Klassendeklaration von Person steht: class Person extends Object. Auch String muss geladen werden, weil String einmal in der Signatur von main(String[]) vorkommt und es der Typ von now Intern ziehen die Typen viele weitere Typen nach sich. String implementiert Serializable, CharSequence und Comparable, also müssen diese drei Schnittstellen auch geladen werden. Und so geht das weiter, je nach dem, welche Programmpfade abgelaufen werden. Wichtig ist aber zu verstehen, dass diese Klassendateien so spät wie möglich geladen werden.

Im Beispiel mit den Klassen Person und Dog lädt die Laufzeitumgebung selbstständig die Klassen (implizites Klassenladen). Klassen lassen sich auch mit Class.forName(String) über ihren Namen laden (explizites Klassenladen).

Hinweis. Um zu sehen, welche Klassen überhaupt geladen werden, lässt sich der virtuellen Maschine beim Start der Laufzeitumgebung ein Schalter mitgeben -verbose:class. Dann gibt die Maschine beim Lauf alle Klassen aus, die sie lädt.

JAR-Dateien

Große Sammlungen von Java-Klassendatein und Ressourcen werden in sogenannten Java-Archiven, kurz JAR-Dateien, zusammengefasst. Diese Dateien sind im Grunde ganz normale ZIP-Archive mit einem besonderen Verzeichnis META-INF für Meta-Dateien. Das JDK bringt im bin-Verzeichnis das Werkzeug jar zum Aufbau und Extrahieren von JAR-Dateien mit.

JAR-Dateien behandelt die Laufzeitumgebung wie Verzeichnisse von Klassendateien und Ressourcen. Wenn Java-Software ausgeliefert wird, dann bieten sich JAR-Dateien an, denn es ist einfacher, nur ein komprimiertes Archiv weiterzugehen als einen großen Dateibaum. Zudem haben Java-Archive den Vorteil, dass sie signiert werden können und illegale Änderungen auffallen.

Woher die kleinen Klassen kommen: Die Suchorte und spezielle Klassenlader

Die Laufzeitumgebung nutzt zum Laden nicht nur einen Klassenlader, sondern mehrere. Die Java-Laufzeitumgebung nutzt diese verschiedenen Klassenlader um unterschiedliche Orte festzulegen. Ein festes Schema bestimmt die Suche nach den Klassen:

1. Klassen Typen wie String, Object oder Point stehen in einem ganz speziellen Archiv. Wenn ein eigenes Java-Programm gestartet wird, so sucht die virtuelle Maschine die angeforderten Klassen zuerst in diesem Archiv. Da es elementare Klassen sind, die zum Hochfahren eines Systems gehören, werden sie Bootstrap-Klassen Das Archiv mit diesen Klassen heißt oft rt.jar (für Runtime). Andere Archive können hinzukommen – wie i18n.jar, das Internationalisierungsdaten beinhaltet. Die Implementierung dieses Bootstrap-Klassenlader ist nicht öffentlich und wird von System zu System unterschiedlich sein. Ab Java 9 wird sich das grundlegend ändern.
2. Ist eine Klasse keine Bootstrap-Klasse, beginnt der System-Klassenlader Applikations-Klassenlader die Suche im Klassenpfad (Classpath). Diese Pfadangabe besteht aus einer Aufzählung einzelner Klassendateien, Verzeichnisse, Klassen oder JAR-Archive, in denen die Laufzeitumgebung nach den Klassendateien sucht. Standardmäßig ist dieser Klassenpfad auf das aktuelle Verzeichnis gesetzt („.“), er lässt sich aber beliebig setzen.