Java虛擬機類(lèi)裝載：原理、實(shí)現與應用
作者：劉學(xué)超
一、引言
Java虛擬機(JVM)的類(lèi)裝載就是指將包含在類(lèi)文件中的字節碼裝載到JVM中, 并使其成為JVM一部分的過(guò)程。JVM的類(lèi)動(dòng)態(tài)裝載技術(shù)能夠在運行時(shí)刻動(dòng)態(tài)地加載或者替換系統的某些功能模塊, 而不影響系統其他功能模塊的正常運行。本文將分析JVM中的類(lèi)裝載系統，探討JVM中類(lèi)裝載的原理、實(shí)現以及應用。
二、Java虛擬機的類(lèi)裝載實(shí)現與應用
2.1 裝載過(guò)程簡(jiǎn)介
所謂裝載就是尋找一個(gè)類(lèi)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)構造代表這個(gè)類(lèi)或是這個(gè)接口的class對象的過(guò)程，其中類(lèi)或接口的名稱(chēng)是給定了的。當然名稱(chēng)也可以通過(guò)計算得到，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)構造。
在Java中，類(lèi)裝載器把一個(gè)類(lèi)裝入Java虛擬機中，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、準備和解析三步，除了解析外，其它步驟是嚴格按照順序完成的，各個(gè)步驟的主要工作如下：
至于在類(lèi)裝載和虛擬機啟動(dòng)的過(guò)程中的具體細節和可能會(huì )拋出的錯誤，請參看《Java虛擬機規范》以及《深入Java虛擬機》，它們在網(wǎng)絡(luò )上面的資源地址是： http://java.sun.com/docs/books/vmspec/2nd-edition/html/Preface.doc.html 和 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
JVM中類(lèi)的裝載是由ClassLoader和它的子類(lèi)來(lái)實(shí)現的,Java ClassLoader 是一個(gè)重要的Java運行時(shí)系統組件。它負責在運行時(shí)查找和裝入類(lèi)文件的類(lèi)。
在Java中，ClassLoader是一個(gè)抽象類(lèi)，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，再結合上面所介紹的JVM中類(lèi)裝載的具體的過(guò)程，對動(dòng)態(tài)裝載類(lèi)這項技術(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參數指定了JVM需要的類(lèi)的名稱(chēng),該名稱(chēng)以包表示法表示,如Java.lang.Object；resolve參數告訴方法是否需要解析類(lèi)，在初始化類(lèi)之前,應考慮類(lèi)解析，并不是所有的類(lèi)都需要解析，如果JVM只需要知道該類(lèi)是否存在或找出該類(lèi)的超類(lèi),那么就不需要解析。這個(gè)方法是ClassLoader 的入口點(diǎn)。
②defineClass方法 這個(gè)方法接受類(lèi)文件的字節數組并把它轉換成Class對象。字節數組可以是從本地文件系統或網(wǎng)絡(luò )裝入的數據。它把字節碼分析成運行時(shí)數據結構、校驗有效性等等。
③findSystemClass方法 findSystemClass方法從本地文件系統裝入文件。它在本地文件系統中尋找類(lèi)文件,如果存在,就使用defineClass將字節數組轉換成Class對象,以將該文件轉換成類(lèi)。當運行Java應用程序時(shí),這是JVM 正常裝入類(lèi)的缺省機制。
④resolveClass方法 resolveClass(Class c)方法解析裝入的類(lèi),如果該類(lèi)已經(jīng)被解析過(guò)那么將不做處理。當調用loadClass方法時(shí),通過(guò)它的resolve 參數決定是否要進(jìn)行解析。
⑤findLoadedClass方法 當調用loadClass方法裝入類(lèi)時(shí),調用findLoadedClass 方法來(lái)查看ClassLoader是否已裝入這個(gè)類(lèi),如果已裝入,那么返回Class對象,否則返回NULL。如果強行裝載已存在的類(lèi),將會(huì )拋出鏈接錯誤。
2.3 裝載的應用
一般來(lái)說(shuō)，我們使用虛擬機的類(lèi)裝載時(shí)需要繼承抽象類(lèi)java.lang.ClassLoader,其中必須實(shí)現的方法是loadClass()，對于這個(gè)方法需要實(shí)現如下操作:(1) 確認類(lèi)的名稱(chēng);(2) 檢查請求要裝載的類(lèi)是否已經(jīng)被裝載;(3) 檢查請求加載的類(lèi)是否是系統類(lèi);(4) 嘗試從類(lèi)裝載器的存儲區獲取所請求的類(lèi);(5) 在虛擬機中定義所請求的類(lèi);(6) 解析所請求的類(lèi);(7) 返回所請求的類(lèi)。
所有的Java 虛擬機都包括一個(gè)內置的類(lèi)裝載器，這個(gè)內置的類(lèi)庫裝載器被稱(chēng)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計時(shí)刻已知的類(lèi),因此虛擬機假定由根裝載器所裝載的類(lèi)都是安全的、可信任的,可以不經(jīng)過(guò)安全認證而直接運行。當應用程序需要加載并不是設計時(shí)就知道的類(lèi)時(shí),必須使用用戶(hù)自定義的裝載器(user-defined ClassLoader)。下面我們舉例說(shuō)明它的應用。
public abstract class MultiClassLoader extends ClassLoader{ ... public synchronized Class loadClass(String s, boolean flag) throws ClassNotFoundException { /* 檢查類(lèi)s是否已經(jīng)在本地內存*/ Class class1 = (Class)classes.get(s); /* 類(lèi)s已經(jīng)在本地內存*/ if(class1 != null) return class1; try/*用默認的ClassLoader 裝入類(lèi)*/ { class1 = super.findSystemClass(s); return class1; } catch(ClassNotFoundException _ex) { System.out.println(">> Not a system class."); } /* 取得類(lèi)s的字節數組*/ byte abyte0[] = loadClassBytes(s); if(abyte0 == null) throw new ClassNotFoundException(); /* 將類(lèi)字節數組轉換為類(lèi)*/ class1 = defineClass(null, abyte0, 0, abyte0.length); if(class1 == null) throw new ClassFormatError(); if(flag) resolveClass(class1); /*解析類(lèi)*/ /* 將新加載的類(lèi)放入本地內存*/ classes.put(s, class1); System.out.println(">> Returning newly loaded class."); /* 返回已裝載、解析的類(lèi)*/ return class1; } ...}三、Java虛擬機的類(lèi)裝載原理
前面我們已經(jīng)知道，一個(gè)Java應用程序使用兩種類(lèi)型的類(lèi)裝載器：根裝載器(bootstrap)和用戶(hù)定義的裝載器(user-defined)。根裝載器是Java虛擬機實(shí)現的一部分，舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)Java虛擬機是在現在已經(jīng)存在并且正在被使用的操作系統的頂部用C程序來(lái)實(shí)現的，那么根裝載器將是那些C程序的一部分。根裝載器以某種默認的方式將類(lèi)裝入，包括那些Java API的類(lèi)。在運行期間一個(gè)Java程序能安裝用戶(hù)自己定義的類(lèi)裝載器。根裝載器是虛擬機固有的一部分，而用戶(hù)定義的類(lèi)裝載器則不是，它是用Java語(yǔ)言寫(xiě)的，被編譯成class文件之后然后再被裝入到虛擬機，并像其它的任何對象一樣可以被實(shí)例化。 Java類(lèi)裝載器的體系結構如下所示：
圖1 Java的類(lèi)裝載的體系結構
Java的類(lèi)裝載模型是一種代理(delegation)模型。當JVM 要求類(lèi)裝載器CL(ClassLoader)裝載一個(gè)類(lèi)時(shí),CL首先將這個(gè)類(lèi)裝載請求轉發(fā)給他的父裝載器。只有當父裝載器沒(méi)有裝載并無(wú)法裝載這個(gè)類(lèi)時(shí),CL才獲得裝載這個(gè)類(lèi)的機會(huì )。這樣, 所有類(lèi)裝載器的代理關(guān)系構成了一種樹(shù)狀的關(guān)系。樹(shù)的根是類(lèi)的根裝載器(bootstrap ClassLoader) , 在JVM 中它以"null"表示。除根裝載器以外的類(lèi)裝載器有且僅有一個(gè)父裝載器。在創(chuàng )建一個(gè)裝載器時(shí), 如果沒(méi)有顯式地給出父裝載器, 那么JVM將默認系統裝載器為其父裝載器。Java的基本類(lèi)裝載器代理結構如圖2所示：
圖2 Java類(lèi)裝載的代理結構
下面針對各種類(lèi)裝載器分別進(jìn)行詳細的說(shuō)明。
根(Bootstrap) 裝載器:該裝載器沒(méi)有父裝載器，它是JVM實(shí)現的一部分，從sun.boot.class.path裝載運行時(shí)庫的核心代碼。
擴展(Extension) 裝載器:繼承的父裝載器為根裝載器，不像根裝載器可能與運行時(shí)的操作系統有關(guān)，這個(gè)類(lèi)裝載器是用純Java代碼實(shí)現的，它從java.ext.dirs (擴展目錄)中裝載代碼。
系統(System or Application) 裝載器:裝載器為擴展裝載器，我們都知道在安裝JDK的時(shí)候要設置環(huán)境變量(CLASSPATH )，這個(gè)類(lèi)裝載器就是從java.class.path(CLASSPATH 環(huán)境變量)中裝載代碼的，它也是用純Java代碼實(shí)現的，同時(shí)還是用戶(hù)自定義類(lèi)裝載器的缺省父裝載器。
小應用程序(Applet) 裝載器: 裝載器為系統裝載器，它從用戶(hù)指定的網(wǎng)絡(luò )上的特定目錄裝載小應用程序代碼。
在設計一個(gè)類(lèi)裝載器的時(shí)候，應該滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：
每個(gè)已經(jīng)裝載到JVM中的類(lèi)都隱式含有裝載它的類(lèi)裝載器的信息。類(lèi)方法getClassLoader 可以得到裝載這個(gè)類(lèi)的類(lèi)裝載器。一個(gè)類(lèi)裝載器認識的類(lèi)包括它的父裝載器認識的類(lèi)和它自己裝載的類(lèi)，可見(jiàn)類(lèi)裝載器認識的類(lèi)是它自己裝載的類(lèi)的超集。注意我們可以得到類(lèi)裝載器的有關(guān)的信息，但是已經(jīng)裝載到JVM中的類(lèi)是不能更改它的類(lèi)裝載器的。
Java中的類(lèi)的裝載過(guò)程也就是代理裝載的過(guò)程。比如:Web瀏覽器中的JVM需要裝載一個(gè)小應用程序TestApplet。JVM調用小應用程序裝載器ACL(Applet ClassLoader)來(lái)完成裝載。ACL首先請求它的父裝載器, 即系統裝載器裝載TestApplet是否裝載了這個(gè)類(lèi), 由于TestApplet不在系統裝載器的裝載路徑中, 所以系統裝載器沒(méi)有找到這個(gè)類(lèi), 也就沒(méi)有裝載成功。接著(zhù)ACL自己裝載TestApplet。ACL通過(guò)網(wǎng)絡(luò )成功地找到了TestApplet.class 文件并將它導入到了JVM中。在裝載過(guò)程中, JVM發(fā)現TestAppet是從超類(lèi)java.applet.Applet繼承的。所以JVM再次調用ACL來(lái)裝載java.applet.Applet類(lèi)。ACL又再次按上面的順序裝載Applet類(lèi), 結果ACL發(fā)現他的父裝載器已經(jīng)裝載了這個(gè)類(lèi), 所以ACL就直接將這個(gè)已經(jīng)裝載的類(lèi)返回給了JVM , 完成了Applet類(lèi)的裝載。接下來(lái),Applet類(lèi)的超類(lèi)也一樣處理。最后, TestApplet及所有有關(guān)的類(lèi)都裝載到了JVM中。
四、結論
類(lèi)的動(dòng)態(tài)裝載機制是JVM的一項核心技術(shù), 也是容易被忽視而引起很多誤解的地方。本文介紹了JVM中類(lèi)裝載的原理、實(shí)現以及應用，尤其分析了ClassLoader的結構、用途以及如何利用自定義的ClassLoader裝載并執行Java類(lèi)，希望能使讀者對JVM中的類(lèi)裝載有一個(gè)比較深入的理解。
聯(lián)系客服
