Java虛擬機(jī)類裝載：原理、實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

Java虛擬機(jī)類裝載：原理、實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[@more@]　　一、引言

　　Java虛擬機(jī)(JVM)的類裝載就是指將包含在類文件中的字節(jié)碼裝載到JVM中, 并使其成為JVM一部分的過(guò)程。JVM的類動(dòng)態(tài)裝載技術(shù)能夠在運(yùn)行時(shí)刻動(dòng)態(tài)地加載或者替換系統(tǒng)的某些功能模塊, 而不影響系統(tǒng)其他功能模塊的正常運(yùn)行。本文將分析JVM中的類裝載系統(tǒng)，探討JVM中類裝載的原理、實(shí)現(xiàn)以及應(yīng)用。

　　二、Java虛擬機(jī)的類裝載實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

　　2.1 裝載過(guò)程簡(jiǎn)介

　　所謂裝載就是尋找一個(gè)類或是一個(gè)接口的二進(jìn)制形式并用該二進(jìn)制形式來(lái)構(gòu)造代表這個(gè)類或是這個(gè)接口的class對(duì)象的過(guò)程，其中類或接口的名稱是給定了的。當(dāng)然名稱也可以通過(guò)計(jì)算得到，但是更常見(jiàn)的是通過(guò)搜索源代碼經(jīng)過(guò)編譯器編譯后所得到的二進(jìn)制形式來(lái)構(gòu)造。

　　在Java中，類裝載器把一個(gè)類裝入Java虛擬機(jī)中，要經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟來(lái)完成：裝載、鏈接和初始化，其中鏈接又可以分成校驗(yàn)、準(zhǔn)備和解析三步，除了解析外，其它步驟是嚴(yán)格按照順序完成的，各個(gè)步驟的主要工作如下：

　　裝載：查找和導(dǎo)入類或接口的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；
　　鏈接：執(zhí)行下面的校驗(yàn)、準(zhǔn)備和解析步驟，其中解析步驟是可以選擇的；
　　校驗(yàn)：檢查導(dǎo)入類或接口的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的正確性；
　　準(zhǔn)備：給類的靜態(tài)變量分配并初始化存儲(chǔ)空間；
　　解析：將符號(hào)引用轉(zhuǎn)成直接引用；
　　初始化：激活類的靜態(tài)變量的初始化Java代碼和靜態(tài)Java代碼塊。

　　至于在類裝載和虛擬機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中的具體細(xì)節(jié)和可能會(huì)拋出的錯(cuò)誤，請(qǐng)參看《Java虛擬機(jī)規(guī)范》以及《深入Java虛擬機(jī)》，它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上面的資源地址是：
　　http://java.sun.com/docs/books/vmspec/2nd-edition/html/Preface.doc.html
　　http://www.artima.com/insidejvm/ed2/index.html
　　由于本文的討論重點(diǎn)不在此就不再多敘述。

　　2.2 裝載的實(shí)現(xiàn)

　　JVM中類的裝載是由ClassLoader和它的子類來(lái)實(shí)現(xiàn)的,Java ClassLoader 是一個(gè)重要的Java運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)組件。它負(fù)責(zé)在運(yùn)行時(shí)查找和裝入類文件的類。

　　在Java中，ClassLoader是一個(gè)抽象類，它在包java.lang中,可以這樣說(shuō)，只要了解了在ClassLoader中的一些重要的方法，再結(jié)合上面所介紹的JVM中類裝載的具體的過(guò)程，對(duì)動(dòng)態(tài)裝載類這項(xiàng)技術(shù)就有了一個(gè)比較大概的掌握，這些重要的方法包括以下幾個(gè):

　　①loadCass方法 loadClass(String name ,boolean resolve)其中name參數(shù)指定了JVM需要的類的名稱,該名稱以包表示法表示,如Java.lang.Object；resolve參數(shù)告訴方法是否需要解析類，在初始化類之前,應(yīng)考慮類解析，并不是所有的類都需要解析，如果JVM只需要知道該類是否存在或找出該類的超類,那么就不需要解析。這個(gè)方法是ClassLoader 的入口點(diǎn)。

　?、赿efineClass方法 這個(gè)方法接受類文件的字節(jié)數(shù)組并把它轉(zhuǎn)換成Class對(duì)象。字節(jié)數(shù)組可以是從本地文件系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)裝入的數(shù)據(jù)。它把字節(jié)碼分析成運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、校驗(yàn)有效性等等。

　?、踗indSystemClass方法 findSystemClass方法從本地文件系統(tǒng)裝入文件。它在本地文件系統(tǒng)中尋找類文件,如果存在,就使用defineClass將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換成Class對(duì)象,以將該文件轉(zhuǎn)換成類。當(dāng)運(yùn)行Java應(yīng)用程序時(shí),這是JVM 正常裝入類的缺省機(jī)制。

　?、躵esolveClass方法 resolveClass(Class c)方法解析裝入的類,如果該類已經(jīng)被解析過(guò)那么將不做處理。當(dāng)調(diào)用loadClass方法時(shí),通過(guò)它的resolve 參數(shù)決定是否要進(jìn)行解析。

　?、輋indLoadedClass方法 當(dāng)調(diào)用loadClass方法裝入類時(shí),調(diào)用findLoadedClass 方法來(lái)查看ClassLoader是否已裝入這個(gè)類,如果已裝入,那么返回Class對(duì)象,否則返回NULL。如果強(qiáng)行裝載已存在的類,將會(huì)拋出鏈接錯(cuò)誤。

　　2.3 裝載的應(yīng)用

　　一般來(lái)說(shuō)，我們使用虛擬機(jī)的類裝載時(shí)需要繼承抽象類java.lang.ClassLoader,其中必須實(shí)現(xiàn)的方法是loadClass()，對(duì)于這個(gè)方法需要實(shí)現(xiàn)如下操作:(1) 確認(rèn)類的名稱;(2) 檢查請(qǐng)求要裝載的類是否已經(jīng)被裝載;(3) 檢查請(qǐng)求加載的類是否是系統(tǒng)類;(4) 嘗試從類裝載器的存儲(chǔ)區(qū)獲取所請(qǐng)求的類;(5) 在虛擬機(jī)中定義所請(qǐng)求的類;(6) 解析所請(qǐng)求的類;(7) 返回所請(qǐng)求的類。

　　所有的Java 虛擬機(jī)都包括一個(gè)內(nèi)置的類裝載器，這個(gè)內(nèi)置的類庫(kù)裝載器被稱為根裝載器(bootstrap ClassLoader)。根裝載器的特殊之處是它只能夠裝載在設(shè)計(jì)時(shí)刻已知的類,因此虛擬機(jī)假定由根裝載器所裝載的類都是安全的、可信任的,可以不經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證而直接運(yùn)行。當(dāng)應(yīng)用程序需要加載并不是設(shè)計(jì)時(shí)就知道的類時(shí),必須使用用戶自定義的裝載器(user-defined ClassLoader)。下面我們舉例說(shuō)明它的應(yīng)用。

　　public abstract class MultiClassLoader extends ClassLoader{
　　...
　　public synchronized Class loadClass(String s, boolean flag)
　　throws ClassNotFoundException
　　{
　　/* 檢查類s是否已經(jīng)在本地內(nèi)存*/
　　Class class1 = (Class)classes.get(s);

　　/* 類s已經(jīng)在本地內(nèi)存*/
　　if(class1 != null) return class1;
　　try/*用默認(rèn)的ClassLoader 裝入類*/ {
　　class1 = super.findSystemClass(s);
　　return class1;
　　}
　　catch(ClassNotFoundException _ex) {
　　System.out.println(">> Not a system class.");
　　}

　　/* 取得類s的字節(jié)數(shù)組*/
　　byte abyte0[] = loadClassBytes(s);
　　if(abyte0 == null) throw new ClassNotFoundException();

　　/* 將類字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為類*/
　　class1 = defineClass(null, abyte0, 0, abyte0.length);
　　if(class1 == null) throw new ClassFormatError();
　　if(flag) resolveClass(class1); /*解析類*/

　　/* 將新加載的類放入本地內(nèi)存*/
　　classes.put(s, class1);
　　System.out.println(">> Returning newly loaded class.");

　　/* 返回已裝載、解析的類*/
　　return class1;
　　}
　　...
　　}