作者：劉學(xué)超
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)制形式來構(gòu)造代表這個(gè)類或是這個(gè)接口的class對(duì)象的過程，其中類或接口的名稱是給定了的。當(dāng)然名稱也可以通過計(jì)算得到，但是更常見的是通過搜索源代碼經(jīng)過編譯器編譯后所得到的二進(jìn)制形式來構(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)過三個(gè)步驟來完成：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 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(xiàn)
JVM中類的裝載是由ClassLoader和它的子類來實(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，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)。
②defineClass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。
③findSystemClass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。
④resolveClass方法 resolveClass(Class c)方法解析裝入的類,如果該類已經(jīng)被解析過那么將不做處理。當(dāng)調(diào)用loadClass方法時(shí),通過它的resolve 參數(shù)決定是否要進(jìn)行解析。
⑤findLoadedClass方法 當(dāng)調(diào)用loadClass方法裝入類時(shí),調(diào)用
findLoadedClass
方法來查看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
一般來說，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
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)。下面我們舉例說明它的應(yīng)用。
1 public abstract class MultiClassLoader extends ClassLoader{
2 
3 public synchronized Class loadClass(String s, boolean flag)
4 throws ClassNotFoundException
5 {
6 /* 檢查類s是否已經(jīng)在本地內(nèi)存*/
7 Class class1 = (Class)classes.get(s);
8
9 /* 類s已經(jīng)在本地內(nèi)存*/
10 if(class1 != null) return class1;
11 try/*用默認(rèn)的ClassLoader 裝入類*/ {
12 class1 = super.findSystemClass(s);
13 return class1;
14 }
15 catch(ClassNotFoundException _ex) {
16 System.out.println(">> Not a system class.");
17 }
18
19 /* 取得類s的字節(jié)數(shù)組*/
20 byte abyte0[] = loadClassBytes(s);
21 if(abyte0 == null) throw new ClassNotFoundException();
22
23 /* 將類字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為類*/
24 class1 = defineClass(null, abyte0, 0, abyte0.length);
25 if(class1 == null) throw new ClassFormatError();
26 if(flag) resolveClass(class1); /*解析類*/
27
28 /* 將新加載的類放入本地內(nèi)存*/
29 classes.put(s, class1);
30 System.out.println(">> Returning newly loaded class.");
31
32 /* 返回已裝載、解析的類*/
33 return class1;
34 }
35
36 }
三、Java虛擬機(jī)的類裝載原理
前面我們已經(jīng)知道，一個(gè)Java應(yīng)用程序使用兩種類型的類裝載器：根裝載器(bootstrap)和用戶定義的裝載
器(user-defined)。根裝載器是Java虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的一部分，舉個(gè)例子來說，如果一個(gè)Java虛擬機(jī)是在現(xiàn)在已經(jīng)存在并且正在被使用的操作系
統(tǒng)的頂部用C程序來實(shí)現(xiàn)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(rèn)的方式將類裝入，包括那些Java
API的類。在運(yùn)行期間一個(gè)Java程序能安裝用戶自己定義的類裝載器。根裝載器是虛擬機(jī)固有的一部分，而用戶定義的類裝載器則不是，它是用Java語言
寫的，被編譯成class文件之后然后再被裝入到虛擬機(jī)，并像其它的任何對(duì)象一樣可以被實(shí)例化。 Java類裝載器的體系結(jié)構(gòu)如下所示：
圖1 Java的類裝載的體系結(jié)構(gòu)
Java的類裝載模型是一種代理(delegation)模型。當(dāng)JVM
要求類裝載器CL(ClassLoader)裝載一個(gè)類時(shí),CL首先將這個(gè)類裝載請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給他的父裝載器。只有當(dāng)父裝載器沒有裝載并無法裝載這個(gè)類時(shí),
CL才獲得裝載這個(gè)類的機(jī)會(huì)。這樣, 所有類裝載器的代理關(guān)系構(gòu)成了一種樹狀的關(guān)系。樹的根是類的根裝載器(bootstrap
ClassLoader) , 在JVM 中它以"null"表示。除根裝載器以外的類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),
如果沒有顯式地給出父裝載器, 那么JVM將默認(rèn)系統(tǒng)裝載器為其父裝載器。Java的基本類裝載器代理結(jié)構(gòu)如圖2所示：
圖2 Java類裝載的代理結(jié)構(gòu)
下面針對(duì)各種類裝載器分別進(jìn)行詳細(xì)的說明。
根(Bootstrap) 裝載器:該裝載器沒有父裝載器，它是JVM實(shí)現(xiàn)的一部分，從sun.boot.class.path裝載運(yùn)行時(shí)庫的核心代碼。
擴(kuò)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(yùn)行時(shí)的操作系統(tǒng)有關(guān)，這個(gè)類裝載器是用純Java代碼實(shí)現(xiàn)的，它從java.ext.dirs (擴(kuò)展目錄)中裝載代碼。
系統(tǒng)(System or Application)
裝載器:裝載器為擴(kuò)展裝載器，我們都知道在安裝JDK的時(shí)候要設(shè)置環(huán)境變量(CLASSPATH
)，這個(gè)類裝載器就是從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(xiàn)的，同時(shí)還是用戶自定義類裝載器的缺省父裝載器。
小應(yīng)用程序(Applet) 裝載器: 裝載器為系統(tǒng)裝載器，它從用戶指定的網(wǎng)絡(luò)上的特定目錄裝載小應(yīng)用程序代碼。
在設(shè)計(jì)一個(gè)類裝載器的時(shí)候，應(yīng)該滿足以下兩個(gè)條件：
- 對(duì)于相同的類名，類裝載器所返回的對(duì)象應(yīng)該是同一個(gè)類對(duì)象
- 如果類裝載器CL1將裝載類C的請(qǐng)求轉(zhuǎn)給類裝載器CL2，那么對(duì)于以下的類或接口,CL1和CL2應(yīng)該返回同一個(gè)類對(duì)象:a)S為C的
直接超類;b)S為C的直接超接口;c)S為C的成員變量的類型;d)S為C的成員方法或構(gòu)建器的參數(shù)類型;e)S為C的成員方法的返回類型。
每個(gè)已經(jīng)裝載到JVM中的類都隱式含有裝載它的類裝載器的信息。類方法getClassLoader
可以得到裝載這個(gè)類的類裝載器。一個(gè)類裝載器認(rèn)識(shí)的類包括它的父裝載器認(rèn)識(shí)的類和它自己裝載的類，可見類裝載器認(rèn)識(shí)的類是它自己裝載的類的超集。注意我們
可以得到類裝載器的有關(guān)的信息，但是已經(jīng)裝載到JVM中的類是不能更改它的類裝載器的。
Java中的類的裝載過程也就是代理裝載的過程。比如:Web瀏覽器中的JVM需要裝載一個(gè)小應(yīng)用程序
TestApplet。JVM調(diào)用小應(yīng)用程序裝載器ACL(Applet ClassLoader)來完成裝載。ACL首先請(qǐng)求它的父裝載器,
即系統(tǒng)裝載器裝載TestApplet是否裝載了這個(gè)類, 由于TestApplet不在系統(tǒng)裝載器的裝載路徑中, 所以系統(tǒng)裝載器沒有找到這個(gè)類,
也就沒有裝載成功。接著ACL自己裝載TestApplet。ACL通過網(wǎng)絡(luò)成功地找到了TestApplet.class
文件并將它導(dǎo)入到了JVM中。在裝載過程中,
JVM發(fā)現(xiàn)TestAppet是從超類java.applet.Applet繼承的。所以JVM再次調(diào)用ACL來裝載
java.applet.Applet類。ACL又再次按上面的順序裝載Applet類, 結(jié)果ACL發(fā)現(xiàn)他的父裝載器已經(jīng)裝載了這個(gè)類,
所以ACL就直接將這個(gè)已經(jīng)裝載的類返回給了JVM , 完成了Applet類的裝載。接下來,Applet類的超類也一樣處理。最后,
TestApplet及所有有關(guān)的類都裝載到了JVM中。
四、結(jié)論
類的動(dòng)態(tài)裝載機(jī)制是JVM的一項(xiàng)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中類裝載的原理、實(shí)現(xiàn)以及應(yīng)用，尤其分析了ClassLoader的結(jié)構(gòu)、用途以及如何利用自定義
的ClassLoader裝載并執(zhí)行Java類，希望能使讀者對(duì)JVM中的類裝載有一個(gè)比較深入的理解。
轉(zhuǎn)載自：http://gceclub.sun.com.cn/yuanchuang/week-8/jvm.html