深入了解Java ClassLoader、Bytecode 、ASM、cglib (I)

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: 代码 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: 代码 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: 代码 MyApp    FileClassLoader@757aef   MyApp@9cab16   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: 代码 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: 代码 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: 代码 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。 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: 代码 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。

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