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

时间：2021-02-09 17:34:14

http://hi.baidu.com/maoshenmusic/blog/item/5e65dc2419baa6044c088d1a.html

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
 
  1. import java.io.ByteArrayOutputStream;   
  2. import java.io.File;   
  3. import java.io.FileInputStream;   
  4. import java.io.IOException;   
  5.   
  6. public class FileClassLoader extends ClassLoader {   
  7.   public Class findClass(String name) {   
  8.     byte[] data = loadClassData(name);   
  9.     return defineClass(name, data, 0, data.length);   
  10.    }   
  11.      
  12.   private byte[] loadClassData(String name) {   
  13.      FileInputStream fis = null;   
  14.     byte[] data = null;   
  15.     try {   
  16.        fis = new FileInputStream(new File("D:\\project\\test\\" + name + ".class"));   
  17.        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();   
  18.       int ch = 0;   
  19.       while ((ch = fis.read()) != -1) {   
  20.          baos.write(ch);   
  21.        }   
  22.        data = baos.toByteArray();   
  23.      } catch (IOException e) {   
  24.        e.printStackTrace();   
  25.      }   
  26.     return data;   
  27.    }   
  28. }   

MyApp.java: 
代码
 
  1. public class MyApp {   
  2.   public static void main(String[] args) throws Exception {   
  3.      FileClassLoader loader = new FileClassLoader();   
  4.      Class objClass = loader.findClass("MyApp");   
  5.      Object obj = objClass.newInstance();   
  6.      System.out.println(objClass.getName());   
  7.      System.out.println(objClass.getClassLoader());   
  8.      System.out.println(obj);   
  9.    }   
  10. }   

编译并运行MyApp类，结果为: 
代码
 
  1. MyApp   
  2. FileClassLoader@757aef  
  3. 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
 
  1. public class Test {   
  2.   public static void main(String[] args) {   
  3.     int i = 10000;   
  4.      System.out.println("Hello Bytecode! Number = " + i);   
  5.    }   
  6. }   

编译后的Test.class: 
代码
 
  1. 漱壕   1 +   
  2.       
  3.   
  4.   
  5.   
  6.   
  7. <init> ()V Code LineNumberTable main ([Ljava/lang/String;)V   
  8. SourceFile     Test.java   
  9.    ! " 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 !   
  10.         
  11.         *                      >     ' < Y                      

使用 javap -c Test > Test.bytecode生成的Test.bytecode: 
代码
 
  1. Compiled from "Test.java"  
  2. public class Test extends java.lang.Object{   
  3. public Test();   
  4.    Code:   
  5.    0:   aload_0   
  6.    1:   invokespecial   #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V   
  7.    4:  return  
  8.   
  9. public static void main(java.lang.String[]);   
  10.    Code:   
  11.    0:   sipush  10000  
  12.    3:   istore_1   
  13.    4:   getstatic   #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;   
  14.    7:  new   #3; //class java/lang/StringBuilder   
  15.    10:   dup   
  16.    11:   invokespecial   #4; //Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V   
  17.    14:   ldc   #5; //String Hello Bytecode! Number =   
  18.    16:   invokevirtual   #6; //Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;   
  19.    19:   iload_1   
  20.    20:   invokevirtual   #7; //Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;   
  21.    23:   invokevirtual   #8; //Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;   
  22.    26:   invokevirtual   #9; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V   
  23.    29:  return  
  24.   
  25. }   


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
 
  1. class MethodWriter implements MethodVisitor {   
  2.   
  3.     private ByteVector code = new ByteVector();   
  4.   
  5.     public void visitIntInsn(final int opcode, final int operand) {   
  6.         // Label currentBlock = this.currentBlock;   
  7.         if (currentBlock != null) {   
  8.             if (compute == FRAMES) {   
  9.                  currentBlock.frame.execute(opcode, operand, null, null);   
  10.              } else if (opcode != Opcodes.NEWARRAY) {   
  11.                 // updates current and max stack sizes only for NEWARRAY   
  12.                 // (stack size variation = 0 for BIPUSH or SIPUSH)   
  13.                 int size = stackSize + 1;   
  14.                 if (size > maxStackSize) {   
  15.                      maxStackSize = size;   
  16.                  }   
  17.                  stackSize = size;   
  18.              }   
  19.          }   
  20.         // adds the instruction to the bytecode of the method   
  21.         if (opcode == Opcodes.SIPUSH) {   
  22.              code.put12(opcode, operand);   
  23.          } else { // BIPUSH or NEWARRAY   
  24.              code.put11(opcode, operand);   
  25.          }   
  26.      }   
  27.   
  28.     public void visitMethodInsn(   
  29.         final int opcode,   
  30.         final String owner,   
  31.         final String name,   
  32.         final String desc)   
  33.      {   
  34.         boolean itf = opcode == Opcodes.INVOKEINTERFACE;   
  35.          Item i = cw.newMethodItem(owner, name, desc, itf);   
  36.         int argSize = i.intVal;   
  37.         // Label currentBlock = this.currentBlock;   
  38.         if (currentBlock != null) {   
  39.             if (compute == FRAMES) {   
  40.                  currentBlock.frame.execute(opcode, 0, cw, i);   
  41.              } else {   
  42.                 /*
  43.                   * computes the stack size variation. In order not to recompute
  44.                   * several times this variation for the same Item, we use the
  45.                   * intVal field of this item to store this variation, once it
  46.                   * has been computed. More precisely this intVal field stores
  47.                   * the sizes of the arguments and of the return value
  48.                   * corresponding to desc.
  49.                   */  
  50.                 if (argSize == 0) {   
  51.                     // the above sizes have not been computed yet,   
  52.                     // so we compute them...   
  53.                      argSize = getArgumentsAndReturnSizes(desc);   
  54.                     // ... and we save them in order   
  55.                     // not to recompute them in the future   
  56.                      i.intVal = argSize;   
  57.                  }   
  58.                 int size;   
  59.                 if (opcode == Opcodes.INVOKESTATIC) {   
  60.                      size = stackSize - (argSize >> 2) + (argSize & 0x03) + 1;   
  61.                  } else {   
  62.                      size = stackSize - (argSize >> 2) + (argSize & 0x03);   
  63.                  }   
  64.                 // updates current and max stack sizes   
  65.                 if (size > maxStackSize) {   
  66.                      maxStackSize = size;   
  67.                  }   
  68.                  stackSize = size;   
  69.              }   
  70.          }   
  71.         // adds the instruction to the bytecode of the method   
  72.         if (itf) {   
  73.             if (argSize == 0) {   
  74.                  argSize = getArgumentsAndReturnSizes(desc);   
  75.                  i.intVal = argSize;   
  76.              }   
  77.              code.put12(Opcodes.INVOKEINTERFACE, i.index).put11(argSize >> 2, 0);   
  78.          } else {   
  79.              code.put12(opcode, i.index);   
  80.          }   
  81.      }   
  82. }   

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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