深入了解Java ClassLoader、Bytecode 、ASM、cglib

一、Java ClassLoader

1，什么是ClassLoader
与 C 或 C++ 编写的程序不同，Java 程序并不是一个可执行文件，而是由许多独立的类文件组成，每一个文件对应于一个 Java 类。
此外，这些类文件并非立即全部都装入内存，而是根据程序需要装入内存。ClassLoader 是 JVM 中将类装入内存的那部分。
而且，Java ClassLoader 就是用 Java 语言编写的。这意味着创建您自己的 ClassLoader 非常容易，不必了解 JVM 的微小细节。

2，一些重要的方法
A)loadClass
ClassLoader.loadClass() 是ClassLoader的入口点。该方法的定义为：Class loadClass( String name, boolean resolve );
name：JVM 需要的类的名称，如 Foo 或 java.lang.Object。
resolve：参数告诉方法是否需要解析类。

B)defineClass
defineClass方法是ClassLoader的主要诀窍。该方法接受由原始字节组成的数组并把它转换成Class对象。

C)findSystemClass
findSystemClass方法从本地文件系统中寻找类文件，如果存在，就使用defineClass将原始字节转换成Class对象，以将该文件转换成类。

D)resolveClass
可以不完全地(不带解析)装入类，也可以完全地(带解析)装入类。当编写我们自己的loadClass时可以调用resolveClass，这取决于loadClass的resolve参数的值。

E)findLoadedClass
findLoadedClass充当一个缓存：当请求loadClass装入类时，它调用该方法来查看ClassLoader是否已装入这个类，这样可以避免重新装入已存在类所造成的麻烦。

3，Java2中ClassLoader的变动
1)loadClass的缺省实现
在Java2中loadClass的实现嵌入了大多数查找类的一般方法，并使您通过覆盖findClass方法来定制它，在适当的时候findClass会调用loadClass。
这种方式的好处是可能不一定要覆盖loadClass，只要覆盖findClass就行了，这减少了工作量。

2)新方法:findClass
loadClass的缺省实现调用这个新方法。

3)新方法:getSystemClassLoader
如果覆盖findClass或loadClass，getSystemClassLoader让我们以实际ClassLoader对象来访问系统ClassLoader，而不是固定的从findSystemClass 调用它。

4)新方法:getParent
为了将类请求委托给父ClassLoader，这个新方法允许ClassLoader获取它的父ClassLoader。

4，定制ClassLoader
其实我们或多或少都使用过定制的ClassLoader，因为Applet查看器中就包含一个定制的ClassLoader。
它不在本地文件系统中寻找类，而是访问远程服务器上的 Web 站点，经过 HTTP 装入原始的字节码文件，并把它们转换成JVM 内的类。
Applet查看器中的ClassLoader还可以做其它事情：它们支持安全性以及使不同的Applet在不同的页面上运行而互不干扰。
我们将写一个自己的ClassLoader实现示例，它将实现如下步骤，这也是ClassLoader的工作原理:
# 调用 findLoadedClass 来查看是否存在已装入的类。
# 如果没有，那么采用那种特殊的神奇方式来获取原始字节。
# 如果已有原始字节，调用defineClass将它们转换成Class对象。
# 如果没有原始字节，然后调用findSystemClass查看是否从本地文件系统获取类。
# 如果resolve参数是true，那么调用resolveClass解析Class对象。
# 如果还没有类，返回ClassNotFoundException。
# 否则，将类返回给调用程序。
话不多说，看看代码先:
FileClassLoader.java:

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class FileClassLoader extends ClassLoader {
  public Class findClass(String name) {
    byte[] data = loadClassData(name);
    return defineClass(name, data, 0, data.length);
  }
  
  private byte[] loadClassData(String name) {
    FileInputStream fis = null;
    byte[] data = null;
    try {
      fis = new FileInputStream(new File("D:\\project\\test\\" + name + ".class"));
      ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
      int ch = 0;
      while ((ch = fis.read()) != -1) {
        baos.write(ch);
      }
      data = baos.toByteArray();
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return data;
  }
}

MyApp.java:

public class MyApp {
  public static void main(String[] args) throws Exception {
    FileClassLoader loader = new FileClassLoader();
    Class objClass = loader.findClass("MyApp");
    Object obj = objClass.newInstance();
    System.out.println(objClass.getName());
    System.out.println(objClass.getClassLoader());
    System.out.println(obj);
  }
}

编译并运行MyApp类，结果为:

MyApp
FileClassLoader@757aef
MyApp@9cab16

评论

1 楼 hideto 2007-07-05  

二、Bytecode

1，什么是Bytecode
C/C++编译器把源代码编译成汇编代码，Java编译器把Java源代码编译成字节码bytecode。
Java跨平台其实就是基于相同的bytecode规范做不同平台的虚拟机，我们的Java程序编译成bytecode后就可以在不同平台跑了。
.net框架有IL(intermediate language)，汇编是C/C++程序的中间表达方式，而bytecode可以说是Java平台的中间语言。
了解Java字节码知识对debugging、performance tuning以及做一些高级语言扩展或框架很有帮助。

2，使用javap生成Bytecode
JDK自带的javap.exe文件可以反汇编Bytecode，让我们看个例子:
Test.java:

public class Test {
  public static void main(String[] args) {
    int i = 10000;
    System.out.println("Hello Bytecode! Number = " + i);
  }
}

编译后的Test.class:

漱壕   1 +
       
   
  
  
  
    
 <init>
 ()V
 Code
 LineNumberTable
 main
 ([Ljava/lang/String;)V
 
SourceFile
   Test.java  
   ! "
 java/lang/StringBuilder
 Hello Bytecode! Number =  # $ # % & ' ( ) *
 Test
 java/lang/Object
 java/lang/System
 out
 Ljava/io/PrintStream;
 append
 -(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
 (I)Ljava/lang/StringBuilder;
 toString
 ()Ljava/lang/String;
 java/io/PrintStream
 println
 (Ljava/lang/String;)V ! 
       
  
 
     
 
   * 
   
     
   
      
    >     '<  Y          
             
     

使用javap -c Test > Test.bytecode生成的Test.bytecode:

Compiled from "Test.java"
public class Test extends java.lang.Object{
public Test();
  Code:
   0:  aload_0
   1:  invokespecial  #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
   4:  return

public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
   0:  sipush  10000
   3:  istore_1
   4:  getstatic  #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   7:  new  #3; //class java/lang/StringBuilder
   10:  dup
   11:  invokespecial  #4; //Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
   14:  ldc  #5; //String Hello Bytecode! Number = 
   16:  invokevirtual  #6; //Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
   19:  iload_1
   20:  invokevirtual  #7; //Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
   23:  invokevirtual  #8; //Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
   26:  invokevirtual  #9; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   29:  return

}

JVM就是一个基于stack的机器，每个thread拥有一个存储着一些frames的JVM stack，每次调用一个方法时生成一个frame。
一个frame包括一个local variables数组(本地变量表)，一个Operand LIFO stack和运行时常量池的一个引用。

我们来简单分析一下生成的字节码指令:
aload和iload指令的“a”前缀和“i”分别表示对象引用和int类型，其他还有“b”表示byte，“c”表示char，“d”表示double等等
我们这里的aload_0表示将把local variable table中index 0的值push到Operand stack，iload_1类似
invokespecial表示初始化对象，return表示返回
sipush表示把10000这个int值push到Operand stack
getstatic表示取静态域
invokevirtual表示调用一些实例方法
这些指令又称为opcode，Java一直以来只有约202個Opcode，具体请参考Java Bytecode规范。

我们看到Test.class文件不全是二进制的指令，有些是我们可以识别的字符，这是因为有些包名、类名和常量字符串没有编译成二进制Bytecode指令。

3，体验字节码增强的魔力
我们J2EE常用的Hibernate、Spring都用到了动态字节码修改来改变类的行为。
让我们通过看看ASM的org.objectweb.asm.MethodWriter类的部分方法来理解ASM是如何修改字节码的:

class MethodWriter implements MethodVisitor {

    private ByteVector code = new ByteVector();

    public void visitIntInsn(final int opcode, final int operand) {
        // Label currentBlock = this.currentBlock;
        if (currentBlock != null) {
            if (compute == FRAMES) {
                currentBlock.frame.execute(opcode, operand, null, null);
            } else if (opcode != Opcodes.NEWARRAY) {
                // updates current and max stack sizes only for NEWARRAY
                // (stack size variation = 0 for BIPUSH or SIPUSH)
                int size = stackSize + 1;
                if (size > maxStackSize) {
                    maxStackSize = size;
                }
                stackSize = size;
            }
        }
        // adds the instruction to the bytecode of the method
        if (opcode == Opcodes.SIPUSH) {
            code.put12(opcode, operand);
        } else { // BIPUSH or NEWARRAY
            code.put11(opcode, operand);
        }
    }

    public void visitMethodInsn(
        final int opcode,
        final String owner,
        final String name,
        final String desc)
    {
        boolean itf = opcode == Opcodes.INVOKEINTERFACE;
        Item i = cw.newMethodItem(owner, name, desc, itf);
        int argSize = i.intVal;
        // Label currentBlock = this.currentBlock;
        if (currentBlock != null) {
            if (compute == FRAMES) {
                currentBlock.frame.execute(opcode, 0, cw, i);
            } else {
                /*
                 * computes the stack size variation. In order not to recompute
                 * several times this variation for the same Item, we use the
                 * intVal field of this item to store this variation, once it
                 * has been computed. More precisely this intVal field stores
                 * the sizes of the arguments and of the return value
                 * corresponding to desc.
                 */
                if (argSize == 0) {
                    // the above sizes have not been computed yet,
                    // so we compute them...
                    argSize = getArgumentsAndReturnSizes(desc);
                    // ... and we save them in order
                    // not to recompute them in the future
                    i.intVal = argSize;
                }
                int size;
                if (opcode == Opcodes.INVOKESTATIC) {
                    size = stackSize - (argSize >> 2) + (argSize & 0x03) + 1;
                } else {
                    size = stackSize - (argSize >> 2) + (argSize & 0x03);
                }
                // updates current and max stack sizes
                if (size > maxStackSize) {
                    maxStackSize = size;
                }
                stackSize = size;
            }
        }
        // adds the instruction to the bytecode of the method
        if (itf) {
            if (argSize == 0) {
                argSize = getArgumentsAndReturnSizes(desc);
                i.intVal = argSize;
            }
            code.put12(Opcodes.INVOKEINTERFACE, i.index).put11(argSize >> 2, 0);
        } else {
            code.put12(opcode, i.index);
        }
    }
}

通过注释我们可以大概理解visitIntInsn和visitMethodInsn方法的意思。
比如visitIntInsn先计算stack的size，然后根据opcode来判断是SIPUSH指令还是BIPUSH or NEWARRAY指令，并相应的调用字节码修改相关的方法。