主题：JVM 知识点题目解答之一-优快云博客

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字节码的加载
1、写一段将目录中指定的.class文件加载到JVM的程序，并通过Class对象获取到完整类名等信息；

对于 ClassLoader 的加载机制、过程及双亲委派模型等这里就不详细介绍了，基本上属于老生常谈的东西了。不过不了解朋友的可以看一下该作者文章：
深入JVM(4):关于ClassLoader的一些知识

先定义一个 DirectoryClassLoader继承 ClassLoader，通过加载指定的目录下的 class 文件，以下贴出该类的主要代码，完整的代码请从附件中下载。

    Java代码   
    
  
 package it.denger.jvm.classloader;  
   
 package it.denger.jvm.classloader;  
   
 public class DirectoryClassLoader extends ClassLoader {  
       
     protected File directory;  
     protected ClassLoader parent;  
   
     public DirectoryClassLoader(File directory, ClassLoader parent) {  
         // 将父 ClassLoader 传入super，用于classloader加载时向上查找  
         super(parent);     
         .....  
     }  
           
     public Class<?>[] findAndLoadAllClassInDirectory(){  
         // 获取当前目录中所有 class 文件的相对路径               
         String[] classPaths = getAllClassRelativePathInDirectory(directory);  
         List<Class<?>> classes = new ArrayList<Class<?>>(classPaths.length);  
         for (String classPath : classPaths){  
             try {  
                 // 将所有 class 文件相对路径转换为相应的包名  
                 // 如 it/denger/Pear.class 则转换为 it.denger.Pear  
                 String className = convertPathToClassName(classPath);  
                 // 调用父类的 loadClass，该方法实现通过向上 一级级的ClassLoader  
                 // 进行查找，当所有上级全部无法找到时则会调用本ClassLoader的  
                 // findClass 方法进行查找，也就是所谓的 “双亲委派模型”  
                 Class<?> classz = loadClass(className);  
                 if  (classes != null){  
                     classes.add(classz);  
                 }  
             } catch (Exception e) {  
                 e.printStackTrace();  
             }  
         }  
         return classes.toArray(new Class<?>[0]);  
     }  
   
     // 重写父类 findClass，当所有 Parent Class Loader 无法找到类时，  
     // 则会通过调用这里所该方法进行最后的查找  
     protected java.lang.Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {     
         Class<?> classz = null;  
         // 通过 className 获取到对应的 File 对象  
         File classFile = new File(directory, convertClassNameToPath(name));  
         if (classFile.exists()) {  
             try {  
                 // 重点在这里，从 class 的文件流中加载 Class 对象  
                 classz = loadClassFromStream(name, new FileInputStream(classFile), (int)classFile.length());  
             } catch (Exception e) {  
                 throw new ClassNotFoundException(String.format("Find class %s error!", name), e);  
             }  
         }  
         .....  
         return classz;  
     }  
   
     protected byte[] loadBytesFromStream(InputStream stream, int len) throws IOException{  
         byte[] streamBytes = new byte[len];  
         int read, off = 0;  
         while(len > 0 && (read = stream.read(streamBytes, off, len)) != -1 ){  
             off += read;  
             len -= read;  
         }  
         return streamBytes;  
     }  
   
     // 通过调用父类的 defineClass 将 字节 转为 Class 对象  
     protected Class<?> loadClassFromBytes(String name, byte []classBytes){  
         return defineClass(name, classBytes, 0, classBytes.length);  
     }  
       
     protected Class<?> loadClassFromStream(String name, InputStream stream, int len){  
         return loadClassFromBytes(name, loadBytesFromStream(stream, len));  
     }  
 }  

OK, 接下为写个 Case 测试一把：

    Java代码   
    
  
 public class DirectoryClassLoaderTest extends TestCase{  
       
     protected DirectoryClassLoader directoryClassLoader;  
     protected String classDirectory;  
       
     protected void setUp() throws Exception {  
         classDirectory = "/Users/denger/Workspaces/Java/backup/classes";  
         directoryClassLoader = new DirectoryClassLoader(new File(classDirectory), this.getClass().getClassLoader());  
     }  
   
     public void testShouldBeLoadedAllClassFileInDirectory(){  
         Class<?>[] classes = directoryClassLoader.findAndLoadAllClassInDirectory();  
         assertTrue(classes.length > 0);  
         for(Class<?> classz : classes){  
             assertNotNull(classz);  
             System.out.println("Class: " + classz.getName() + " - ClassLoader: " + classz.getClassLoader());  
         }  
     }  

     输入结果：
     Class: Apple - ClassLoader: it.denger.jvm.classloader.DirectoryClassLoader@3d434234
     Class: Banana - ClassLoader: it.denger.jvm.classloader.DirectoryClassLoader@3d434234
     Class: it.denger.Pear - ClassLoader: it.denger.jvm.classloader.DirectoryClassLoader@3d434234
     Class: java.lang.String - ClassLoader: null

     目录结构：

可以看出，以上目录下的"所有" class 文件均已经加载，并且所对应的 ClassLoader 都为 DirectoryClassLoader。唯独 java.lang.String 类的 ClassLoader 为 null，其原因是由于 ClassLoader 的双亲委派模型，因为 String 属于 jre 核心库，已由 BootStrap ClassLoader 加载，而 BootStrap 的加载过程是由 C 实现，所以这里自然就是空了。

其实这题还有另外一个更加简单的方法，就是通过 URLClassLoader 进行加载，示例代码如下：

    Java代码   
    
  
 String classFileDirectory = "file:///Users/denger/Workspaces/Java/backup/classes/";  
 URLClassLoader classLoader = new URLClassLoader(new URL[]{new URL(classFileDirectory)});  
 System.out.println(classLoader.loadClass("it.denger.Pear"));  

不过我想以上这种通过URLClassLoader的实现这并不是作者所要考察的。

2、一段展示代码，里面包含一个全局静态整型变量，问如果用两个ClassLoader加载此对象，执行这个整型变量++操作后结果会是怎么样的？
继续使用上题的 ClassLoader 对象，修改 Apple.java为：

    Java代码   
    
  
  public class Apple{  
     public static int count = 1;  
     public static void addCount(){  
         count++;  
     }  
     public static int getCount(){  
         return count;  
     }  
 }  

     实际上，当两个ClassLoader加载此Class，并分别通过实例调用 addCount 时，其 count 是2还是3取决于分别加载的这两个 Apple Class 是否相等。
     从 JVM加载 Class 的过程来说，对于同一包路径同名的 Class 是不会在同一ClassLoader进行重复加载的，当然，如果如这题所说，使用两个 ClassLoader 实例进行加载同一 Class ，这时候会产生两个 Class实例，原因是由于 ClassLoader 实例之间的相互隔离的。
     以下测试用例是使用不同 ClassLoader 实例加载 Apple Class 之后并分别调用 addCount 一次：

    Java代码   
    
  
 public void testRepeatedLoadClass() {  
         DirectoryClassLoader steveDirectoryClassLoader = new DirectoryClassLoader(  
                 new File(classDirectory), this.getClass().getClassLoader());  
           
         DirectoryClassLoader myDirectoryClassLoader = new DirectoryClassLoader(  
                 new File(classDirectory), this.getClass().getClassLoader());  
   
         Class<?> steveApple = steveDirectoryClassLoader.loadClass("Apple");  
         Class<?> myApple = myDirectoryClassLoader.loadClass("Apple");  
   
         // 产生不同的 Apple Class 实例，原因是以上两个 ClassLoader 实例是相互隔离的，他们都并知道对方加载了哪些 Class  
         assertTrue(steveApple != myApple);    
   
         // 分别调用 addCount  
         steveApple.getMethod("addCount").invoke(null);   
         myApple.getMethod("addCount").invoke(null);  
           
         // 其 count 都为2，都只是 ++ 了自己的 count  
         assertTrue(Integer.parseInt(steveApple.getMethod("getCount").invoke(null).toString()) == 2);  
         assertTrue(Integer.parseInt(steveApple.getMethod("getCount").invoke(null).toString()) == Integer.parseInt(myApple.getMethod("getCount").invoke(null).toString()));  
     }  

~

方法的执行
1、A a=new A();a.execute();和 IA a=new A();a.execute();执行有什么不同；

      简单的说，如果想知道方法的执行上有什么不同，那么先看一下它们的bytecode(字节码)有什么不同吧
      Java 代码如下：

    Java代码   
    
  
 package it.denger.jvm.code;  
   
 public class MethodExecute {  
   
     public static void main(String[] args) {  
         A a = new A();  
         a.execute();  
           
         IA ia = new A();  
         ia.execute();  
     }  
 }  
   
 interface IA{  
     public void execute();  
 }  
   
 class A implements IA{  
     public void execute() {  
         System.out.println("A execute call....");  
     }  
 }  

通过 javap -c it.denger.jvm.code.MethodExecute 命令查看代码的字节码信息，其中 main 方法的字节码如下：

    Java代码   
    
  
 public static void main(java.lang.String[]);  
   Code:  
    0:   new #2; //class it/denger/jvm/code/A  
    3:   dup  
    4:   invokespecial   #3; //Method it/denger/jvm/code/A."<init>":()V  
    7:   astore_1  
    8:   aload_1  
    9:   invokevirtual   #4; //Method it/denger/jvm/code/A.execute:()V  
    12:  new #2; //class it/denger/jvm/code/A  
    15:  dup  
    16:  invokespecial   #3; //Method it/denger/jvm/code/A."<init>":()V  
    19:  astore_2  
    20:  aload_2  
    21:  invokeinterface #5,  1; //InterfaceMethod it/denger/jvm/code/IA.execute:()V  
    26:  return  
 }  

      对 exeucte 方法的调用主要在第 9 行和第 21行，不难看出，他们的调用所使用的指令不一样，分别为 invokevirtual(调用对象方法) 和 invokeinterface(调用接口中方法)。
      然而以上两个指令在到底在执行时有何不同，这得从 VM 的 Spec 说起了，你可以从以下几个链接中了解个大概：
       Java字节码invokeinterface.... invokevirtual的含义和区别
       invokeinterface ,   invokevirtual
       What is the point of invokeinterface?
      最后当然少不了 VM Spec 了， Sun VM Spec

2、反射的性能低的原因是？
      关于这题，在 Sun 官方的 The Reflection API 明确说明了:

引用

Because reflection involves types that are dynamically resolved, certain Java virtual machine optimizations can not be performed. Consequently, reflective operations have slower performance than their non-reflective counterparts, and should be avoided in sections of code which are called frequently in performance-sensitive applications.

      大致意思是说因为反射涉及到动态解析类型，以致于某些 jvm 不能够对其进行执行时的优化, 因此使用反射的性能低于非反射的性能..blabla...
      上面所说的动态解析，意味着对于对象创建的过程、方法调用的过程是动态，通过动态加载字节码在 JVM 中进行执行，并且当使用 Class.forName 或 getMethod 时会执行权限校验检查以及lookup的过程，以至于这些调用操作必定将存在时间成本。
      另外说的JVM不能进行优化，大致是说的是在对 Class 进行编译时候的优化(如在语义分析过程中会自动拆箱装箱处理)，因为编译过程中是无法知道反射代码的真正所需要做的事情, 另外也可能无法发挥 JIT 的最大优化潜力。

      值一提的是该问题是作者在09年发出，到目前为止，JDK反射提升越来越好了，从1.6版本后基本上与非反射方法调用相差无几了。当然，最好能在反射的代码进行缓存 Class 或 Method 对象，避免重复调用 getMethod 和 Class.forName，从而减少访问检查及lookup 的过程。


3、编写一段程序，动态的创建一个接口的实现，并加载到JVM中执行；（可以允许用BCEL等工具）
      既然这里提到可以使用 BCEL 来实现接口的动态实现，那么就直接使用 BCEL 吧，顺便再复习一下 Builder 模式来进行代码的实现，将 Class 的创建与其具体的组成过程进行解耦。
      首先定义一个 User 接口:

    Java代码   
    
 package it.denger.jvm.code.bcel;  
   
 public interface IUser {  
   
     void jump();  
   
     void run();  
 }

然后针对该接口动态类生成定义一个 Builder 接口：

    Java代码   
    
 package it.denger.jvm.code.bcel;  
   
 import org.apache.bcel.generic.ClassGen;  
   
 public interface UserClassGenBuilder {  
       
     static final String USER_CLASS_NAME = "it.denger.jvm.code.bcel.IUser";  
   
     UserClassGenBuilder init(String className);  
       
     UserClassGenBuilder implementJumpMethod();  
   
     UserClassGenBuilder implementRunMethod();  
   
     ClassGen build();  
 }

对于 User 接口来说，具体实现可能有 Student、Staff等，以下以 Student 为例，定义 StudentClassGenBuilder，动态生成 Student User 及实现 jump 和 run 方法：

    Java代码   
    
  
 public class StudentClassGenBuilder implements UserClassGenBuilder{  
   
     protected String className;  
   
     protected ClassGen classGen;  
   
     public StudentClassGenBuilder init(String className) {  
         this.className = className;  
         classGen = new ClassGen(className, "java.lang.Object",  
                 "<generated>", ACC_PUBLIC | ACC_SUPER,  
                 new String[] { USER_CLASS_NAME });  
         classGen.addEmptyConstructor(ACC_PUBLIC);  
   
         return this;  
     }  
   
     public UserClassGenBuilder implementJumpMethod() {  
         InstructionFactory instructionFactory = new InstructionFactory(classGen);  
         InstructionList instructionList = new InstructionList();  
         ConstantPoolGen constantPool = classGen.getConstantPool();  
         MethodGen methodGen = new MethodGen(ACC_PUBLIC,  
                 Type.VOID, new Type[0], new String[0],  
               "jump", className, instructionList, constantPool);  
   
         instructionList.append(instructionFactory.createPrintln("I'm jump...."));     
         instructionList.append(InstructionFactory.createReturn(Type.VOID));  
         methodGen.setMaxStack();  
         classGen.addMethod(methodGen.getMethod());  
         return this;  
     }  
   
     public UserClassGenBuilder implementRunMethod() {  
         InstructionFactory instructionFactory = new InstructionFactory(classGen);  
         InstructionList instructionList = new InstructionList();  
         ConstantPoolGen constantPool = classGen.getConstantPool();  
         MethodGen methodGen = new MethodGen(ACC_PUBLIC,  
                 Type.VOID, new Type[0], new String[0],  
               "run", className, instructionList, constantPool);  
   
         instructionList.append(instructionFactory.createPrintln("I'm run...."));      
         instructionList.append(InstructionFactory.createReturn(Type.VOID));  
         methodGen.setMaxStack();  
         classGen.addMethod(methodGen.getMethod());  
         return this;  
     }  
   
     public ClassGen build() {  
         return classGen;  
     }  

可以看出以上已经完成了两个方法的实现，并返回 ClassGen 对象(用于生成具体 Class 的对象)。但该题最终是需要将动态的实现的 Class 加载至 JVM中，并调用动态实现的方法，于是以下的 UserClassGenLoader 便产生了：

    Java代码   
    
  
 public class UserClassGenLoader {  
       
     protected UserClassGenBuilder builder;  
   
     public UserClassGenLoader(UserClassGenBuilder builder){  
         this.builder = builder;  
     }  
   
     public Class<?> loadClass(String className) throws ClassNotFoundException, IOException{  
         ClassGen classGen = this.builder.init(className)  
                 .implementJumpMethod().implementRunMethod().build();  
   
         return loadClassForClassGen(classGen);  
     }  
   
     protected Class<?> loadClassForClassGen(ClassGen classGen) throws ClassNotFoundException, IOException{  
         ByteArrayOutputStream arrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();  
         classGen.getJavaClass().dump(arrayOutputStream);  
         byte[] classBytes = arrayOutputStream.toByteArray();  
         Map<String, byte[]> classByteMap = new HashMap<String, byte[]>();  
       
         classByteMap.put(classGen.getClassName(), classBytes);  
         ByteClassLoader byteClassLoader = new ByteClassLoader(this.getClass()  
                 .getClassLoader(), classByteMap);  
   
         return byteClassLoader.loadClass(classGen.getClassName());  
     }  
 }  

至此已经完成从动态接口实现至将其加载至 JVM 中，并获取最终的 Class 对象，最后写一个 TestCase 测试一把：

    Java代码   
    
  
 public void testShouldBeLoadStudentNewInstance() {  
         try {  
             Class<?> studentClass = new UserClassGenLoader(new StudentClassGenBuilder())  
                     .loadClass("it.denger.jvm.code.bcel.Student");  
   
             IUser studentUser = (IUser) studentClass.newInstance();  
             assertNotNull(studentUser);  
             assertEquals(studentUser.getClass().getName(), "it.denger.jvm.code.bcel.Student");  
   
             studentUser.jump();  
             studentUser.run();  
         } catch (Exception e) {  
             fail(e.getMessage());  
         }  
     }  
 }  

      运行之后显示绿条，并在控制台输出了：
      I'm jump....
      I'm run....
      OK, 至此已经完成本题的所有要求。虽然这里只是简单的实现两个无参、无返回值并且只是 println 输出，但是 BCEL 能做的远远不止这些，理论上来说只要你能手写出的代码基本上都能通过其 API 来动态生成字节码。P.S: 上面代码没写什么注释不过其代码看上去应该比较好懂，有什么可以提出.
~


如果对于以上我个人的分析和理解与你有什么偏差的话，希望能提出一起讨论，另外关于后面两大部分题，现在还在 writing 中，将在近期发出。