Java的Package和Classpath

Package

在Java中，Package是用来包含一系相关实例的集合。这些相关联的实例包括：类、接口、异常、错误以及枚举。

Package主要有一些的几点作用：

1. Package可以处理名字冲突，在冲突的名字前加上包的名字，通过使用名字的全限定名来访问名字的时候，可以避免名字冲突。因为在不同的包之间，具有不同的包名，所以可以通过全限定名来区分不同包中同名的名字。Package的这种机制称为名字空间管理（Namespace Management）。

2. Package可以实现访问控制，在Java中，除了常用的public和private这两个访问控制修饰符外，还包含了protected和default这两个访问控制修饰符，这两个修饰符都和Package相关。通过protected修饰的实体，它的访问受限于同一个包和它的子类中。如果一个实体没有包含任何的访问控制修饰符，那么默认就是default，它的访问受限于同一个包中。

3. 用于发布可重用的类的集合，通常会将这些类打包成JAR包的形式。

Package的名字约定

一个包的名字可以通过将互联网的域名反向后加上自己的项目名字产生。中间通过.进行分隔。Package的名字采用小写的方式。（i.e. 如果一个人的域名是'abc.com'，那么他可以将自己项目的包名写成 'com.abc.project'）。

我们可能会看到在Java官方提供的包中，包含了java和javax前缀的包名，这两个前缀分别用于官方提供的java包和java的扩展包。

包名和目录结构的关系

Java中的包名和文件系统的目录结构之间是有联系的。同一个包中的实体，都被存储在同一个目录下，确切的说，这些实体被存储在通过包名确定的子目录结构下。i.e.，假设存在一个包名为 com.abc.project的包，那么这个包中的实体被存储在目录$BASE_DIR/com/abc/project下，其中的$BASE_DIR表示了包的根目录，也可以称为Java中的类路径。通过上面的例子，我们可以发现，将包名中的.转换为/就是相应的子目录结构了。

上面提到的$BASE_DIR可以存在于文件系统的任何位置，所以Java的编译器和虚拟机必须知道$BASE_DIR的位置，才可以定位到需要的实体。对这个位置的查找是通过环境变量CLASSPATH来实现的。CLASSPATH是一个类似于PATH的环境变量，只是CLASSPATH是用于查找Java的类的位置的。

在Java中，没有子包的概念。i.e.，两个包java.awt和java.awt.event，这两个包具有相同的前缀。其中包java.awt中的实体存储在路径$BASE_DIR\java\awt下，而包java.awt.event中的实体存储在路径$BASE_DIR\java\awt\event下，这是两个独立的包，只是具有相同的前缀而已，所以java.awt.event不是java.awt的子包。

例子

package com.yyy;
public class Circle {
   private double radius;
   public Circle(double radius) {
      this.radius = radius;
   }
   public double getRadius() {
      return radius;
   }
   public void setRadius(double radius) {
      this.radius = radius;
   }
}

我们在./src/java/com/yyy目录下创建了一个com.yyy的包，并且在包中创建了一个Circle类。然后我们需要将这个类的编译后的class文件存储在目录classes目录下。

javac -d ./classes ./src/java/com/yyy/Circle.java

javac命令会编译这个java文件，然后将编译后的class文件存储在classes/com/yyy目录下，com/yyy这个子目录会根据包名com.yyy自动生成。在这里，我们通过选项-d来指定生成的类存放的位置的根目录。

下面，我们使用上面创建的类对象：

import com.yyy.Circle;
public class TestCircle {
   public static void main(String[] args) {
      Circle c = new Circle(1.23);
      System.out.println(c.getRadius());
   }
}

我们在目录./test下创建类TestCircle，但是我们不能直接编译这个类：

cd test
javac TestCircle.java

上面的命令会报错，提示找不到类com.yyy.Circle，所以我们需要告诉编译器该类的位置。通过选项-cp(-classpath)可以指定类路径的位置（这个路径是包所在的根目录，而不是包中类的目录。通过这个根目录，java会自动查找包中的类）。

javac -cp ./classes TestCircle.java

通过-cp指定类路径以后，可以顺利编译通过了，但是如果我们直接执行生成的class文件，还是会出现问题：

java TestCircle

上面的命令会报错，提示找不到类com.yyy.Circle，所以我们需要告诉命令哪里可以找到这个类，跟上面一样，给出这个类所在的位置，也就是类路径：

java -cp ./classses TestCircle

上面的命令，看似没什么问题了，但是运行还是会报错，但是这次提示找不到TestCircle类。这是因为java的CLASSPATH如果没有被显式定义指定，那么默认值是当前目录，所以第一次没有报找不到TestCircle的错误。但是如果我们显式更改CLASSPATH的值（通过上面的-cp选项），那么就默认不会包含当前的目录，如果需要包含当前的目录，则需要显式指定。在CLASSPATH中可以通过:分隔不同的路径。

java -cp .:./classes TestCircle

如果TestCircle.java被定义在包com.abc中，那么如果我们在这个包的根目录下引用这个类，则需要使用这个类的全限定名：

//TestCircle.java和Circle.java的class文件都被放在classes目录下
javac -d classes -cp ./classes src/com/abc/TestCircle.java

//我们当前所在的目录是包的根目录，所以引用TestCircle的时候，需要使用全限定名
java -cp ./classes com.abc.TestCircle

CLASSPATH

CLASSPATH是一个环境变量，Java虚拟机和编译器会通过这个环境变量来查找java类和包的位置。

Java虚拟机查找类的方式

在讨论Java的CLASSPATH环境变量之前，先介绍下Java虚拟机是如何查找Class文件的。

java虚拟机，也就是java命令，通过以下的顺序查找和加载java的class文件：

1. Bootstrap classes - 构成java平台的class文件，包括rt.jar和一些其他的重要的jar文件
2. Extension classes - java的扩展机制的class文件，这些class文件以jar的方式组织并存在于扩展目录中
3. User classes - 开发者和第三方创建的class文件，这些class文件的位置通过-classpath(-cp)选项来指定，或者通过设置环境变量CLASSPATH来指定。

Java虚拟机查找Bootstrap classes的方式

Bootstrap classes是一些用于实现Java 2平台的class文件。Bootstrap classes包含在rt.jar和一些其他的jar文件中，这些jar文件放在jre/lib目录下。这些包是通过bootstrap class路径指定的，这个路径值存储在sun.boot.class.path这个系统属性中，这个系统属性应该是只读的，不应该直接修改。

一般情况下，bootstrap classes路径是不应该被重新修改的。Java的非标准选项-Xbootclasspath，允许修改这个路径值来进行自定义定制核心class。

需要指出的是，实现Java 2 SDK的工具class文件并不和bootstrap class文件存放在一起。这些工具sdk存放在目录/lib/tools.jar下。开发工具会在启动Java虚拟机的时候将这个jar包添加到user class路径中。然而，这个增强的user class路径只是用于执行这些工具，对于处理源代码的工具，如javac和javadoc，它们使用的是原始的class路径，而不是这个增强版本的class路径。

Java虚拟机查找Extension classes的方式

Extension classes是一些用于扩展Java平台的class文件。这些用于扩展Java平台的class文件被组织成jar包的形式，存储在jre/lib/ext目录下。在这个目录下的jar文件会通过Java Extension Framework进行加载。在这个目录下的松散的class文件不会被查找，这些class文件必须是以jar/zip包的形式打包以后才可以被查找。这个扩展包存放的目录的位置是不能被修改的。

在目录jre/lib/ext目录下如果存在多个jar文件，并且这些jar包中包含了同名的class文件，如：

smart-extension1_0.jar contains class smart.extension.Smart
smart-extension1_1.jar contains class smart.extension.Smart

那么，具体加载上面哪个smart.extension.Smart类是未定义的。

Java虚拟机查找User classes的方式

Uesr Classes是一些在java平台上创建的class文。Java虚拟机通过引用 user class path 来查找这些class文件的位置， user class path 是一个包含了class文件的目录、jar包和zip包的路径列表。

一个class文件拥有一个反映类的全限定名的子路径名，如：假设有一个名为com.mypackage.MyClass的类，并且存放在目录/myClasses下，那么目录myClasses必须在 user class path 中，并且MyClass这个类的路径必须是/myClasses/com/mypackage/MyClass.class。如果这个类被存储在myclasses.jar这个jar包中，那么myclasses.jar这个包必须在 user class path 中，并且这个类在jar包中的路径必须是com/mypackage/MyClass.class。

用户类路径，也就是 user class path ，是以字符串的形式指定的，在Unix下通过:进行分隔，而Win下使用;进行分隔。Java虚拟机会将用户类路径中的字符串添加到java.class.path系统属性中，这个属性的值有几种设置途径：

• 默认值是 .，表示当前目录
• 环境变量CLASSPATH的值，这个值会覆盖默认值。
• 在命令行中通过-cp / -classpath选项指定的路径值，这个值会覆盖默认值和CLASSPATH环境变量的值。
• 在命令行中通过-jar选项指定的jar包的路径值，这个值会覆盖上面所有的值，如果这个选项被设置，那么所有的用户类必须通过jar包的形式指定。

通过上面列出的规则，我们可以知道，CLASSPATH环境变量的值只是Java查找类的一中方式。

Java虚拟机查找jar包中的类的方式

一个jar包文件通常包含一个称为manifest的文件，这个文件包含了这个jar包中的内容。这个manifest文件可以定义一个称为JAR-class-path的类路径，这个类路径可以用于扩展Java的类路径（前提是这个jar包被加载进来）。通过JAR-class-path访问类的顺序定义如下：

• 一般情况下，在一个jar包中的所有class文件都是通过一个JAR-class-path入口引用的，在查找的时候也是以JAR-class-path入口在类路径中的先后顺序进行访问的。
• 如果JAR-class-path指向的jar包文件已经被查找过，那么这个jar包文件将不会被再次查找（这种优化可以提高效率，并且避免循环查找）。
• 如果一个jar包文件是作为一个扩展包安装的，那么这个jar包定义的JAR-class-path会被忽略。所有的在这个jar包中的类文件会被认为是SDK的一部分，或者已经被作为扩展包安装。

引用

http://docs.oracle.com/javase/7/docs/technotes/tools/findingclasses.html

http://www.ntu.edu.sg/home/ehchua/programming/java/J9c_PackageClasspath.html