JVM的對dll文件的裝載過程

操作系統(tǒng)裝入JVM是通過jdk中Java.exe來完成,通過下面4步來完成JVM環(huán)境.

1.創(chuàng)建JVM裝載環(huán)境和配置

2.裝載JVM.dll

3.初始化JVM.dll并掛界到JNIENV(JNI調(diào)用接口)實例

4.調(diào)用JNIEnv實例裝載并處理class類。

一．JVM裝入環(huán)境，JVM提供的方式是操作系統(tǒng)的動態(tài)連接文件．
    既然是文件那就一個裝入路徑的問題，Java是怎么找這個路徑的呢？當(dāng)你在調(diào)用Java test的時候，操作系統(tǒng)會在path下在你的Java.exe程序，Java.exe就通過下面一個過程來確定JVM的路徑和相關(guān)的參數(shù)配置了．下面基于Windows的實現(xiàn)的分析．

    首先查找jre路徑，Java是通過GetApplicationHome api【該方法存在于java_md.c】來獲得當(dāng)前的Java.exe絕對路徑。
    例如 c:\j2sdk1.4.2_09\bin\Java.exe,那么它會截取到絕對路徑c:\j2sdk1.4.2_09\，判斷c:\j2sdk1.4.2_09\bin\Java.dll文件是否存在，如果存在就把c:\j2sdk1.4.2_09\作為jre路徑，如果不存在則判斷c:\j2sdk1.4.2_09\jre\bin\Java.dll是否存在，如果存在這c:\j2sdk1.4.2_09\jre作為jre路徑．如果不存在調(diào)用GetPublicJREHome查HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\JavaSoft\Java Runtime Environment\“當(dāng)前JRE版本號”\JavaHome的路徑為jre路徑。
   備注獲取當(dāng)前jre路徑的方法為System.out.println(System.getProperty("java.home"));

   然后裝載JVM.cfg文件JRE路徑+\lib+\ARCH（CPU構(gòu)架）+\JVM.cfgARCH（CPU構(gòu)架）的判斷是通過Java_md.c中GetArch函數(shù)判斷的，該函數(shù)中windows平臺只有兩種情況：WIN64的‘ia64'，其他情況都為‘i386'。以我的為例：C:\j2sdk1.4.2_09\jre\lib\i386\JVM.cfg.主要的內(nèi)容如下： 

•   -client KNOWN  
•   -server KNOWN 
•   -hotspot ALIASED_TO -client  
•   -classic WARN
•   -native ERROR
•   -green ERROR  

  在我們的jdk目錄中jre\bin\server和jre\bin\client都有JVM.dll文件存在，而Java正是通過JVM.cfg配置文件來管理這些不同版本的JVM.dll的．通過文件我們可以定義目前jdk中支持那些JVM,前面部分（client）是JVM名稱，后面是參數(shù)，KNOWN表示JVM存在，ALIASED_TO表示給別的JVM取一個別名，WARN表示不存在時找一個JVM替代，ERROR表示不存在拋出異常．

  在運行Java XXX是，Java.exe會通過CheckJVMType來檢查當(dāng)前的JVM類型，Java可以通過兩種方式來指定具體的JVM類型，
  第一種按照J(rèn)VM.cfg文件中的JVM名稱指定。
  第二種方法是直接指定，它們執(zhí)行的方法分別是“Java -J”、“Java -XXaltJVM=”或“Java -J-XXaltJVM=”。
  如果是第一種參數(shù)傳遞方式，CheckJVMType函數(shù)會取參數(shù)‘-J'后面的JVM名稱，然后從已知的JVM配置參數(shù)中查找如果找到同名的則去掉該JVM名稱前的‘-'直接返回該值；
  而第二種方法，會直接返回“-XXaltJVM=”或“-J-XXaltJVM=”后面的JVM類型名稱；如果在運行Java時未指定上面兩種方法中的任一一種參數(shù)，CheckJVMType會取配置文件中第一個配置中的JVM名稱，去掉名稱前面的‘-'返回該值。CheckJVMType函數(shù)的這個返回值會在下面的函數(shù)中匯同jre路徑組合成JVM.dll的絕對路徑。
  如果沒有指定這會使用JVM.cfg中第一個定義的JVM.可以通過set _Java_LAUNCHER_DEBUG=1在控制臺上測試．

  最后獲得JVM.dll的路徑，JRE路徑+\bin+\JVM類型字符串+\JVM.dll就是JVM的文件路徑了，但是如果在調(diào)用Java程序時用-XXaltJVM=參數(shù)指定的路徑path,就直接用path+\JVM.dll文件做為JVM.dll的文件路徑．

二：裝載JVM.dll

    通過第一步已經(jīng)找到了JVM的路徑，Java通過LoadJavaVM來裝入JVM.dll文件．裝入工作很簡單就是調(diào)用Windows API函數(shù)：

    LoadLibrary裝載JVM.dll動態(tài)連接庫．然后把JVM.dll中的導(dǎo)出函數(shù)JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs掛接到   InvocationFunctions變量的CreateJavaVM和GetDefaultJavaVMInitArgs函數(shù)指針變量上。JVM.dll的裝載工作宣告完成。

三：初始化JVM，獲得本地調(diào)用接口
      這樣就可以在Java中調(diào)用JVM的函數(shù)了．調(diào)用InvocationFunctions－>CreateJavaVM也就是JVM中   JNI_CreateJavaVM方法獲得JNIEnv結(jié)構(gòu)的實例．

四：運行Java程序．

    Java程序有兩種方式一種是jar包，一種是class. 運行jar,Java -jar XXX.jar運行的時候，Java.exe調(diào)用GetMainClassName函數(shù)，該函數(shù)先獲得JNIEnv實例然后調(diào)用Java類Java.util.jar.JarFileJNIEnv中方法getManifest()并從返回的Manifest對象中取getAttributes("Main-Class")的值即jar包中文件：META-INF/MANIFEST.MF指定的Main-Class的主類名作為運行的主類。之后main函數(shù)會調(diào)用Java.c中LoadClass方法裝載該主類（使用JNIEnv實例的FindClass）。main函數(shù)直接調(diào)用Java.c中LoadClass方法裝載該類。如果是執(zhí)行class方法。main函數(shù)直接調(diào)用Java.c中LoadClass方法裝載該類。

    然后main函數(shù)調(diào)用JNIEnv實例的GetStaticMethodID方法查找裝載的class主類中?！皃ublic static void main(String[] args)”方法，并判斷該方法是否為public方法，然后調(diào)用JNIEnv實例的 CallStaticVoidMethod方法調(diào)用該Java類的main方法。

JVM的類裝載
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的類動態(tài)裝載技術(shù)能夠在運行時刻動態(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、實現(xiàn)以及應(yīng)用。
二、Java虛擬機(jī)的類裝載實現(xiàn)與應(yīng)用
2.1  裝載過程簡介
       所謂裝載就是尋找一個類或是一個接口的二進(jìn)制形式并用該二進(jìn)制形式來構(gòu)造代表這個類或是這個接口的class對象的過程，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，類裝載器把一個類裝入Java虛擬機(jī)中，要經(jīng)過三個步驟來完成：裝載、鏈接和初始化，其中鏈接又可以分成校驗、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、準(zhǔn)備和解析步驟，其中解析步驟是可以選擇的；
•       校驗：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空間；
•       解析：將符號引用轉(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。

2.2  裝載的實現(xiàn)

     JVM中類的裝載是由ClassLoader和它的子類來實現(xiàn)的,Java ClassLoader 是一個重要的Java運行時系統(tǒng)組件。它負(fù)責(zé)在運行時查找和裝入類文件的類。
     在Java中，ClassLoader是一個抽象類，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，對動態(tài)裝載類這項技術(shù)就有了一個比較大概的掌握，這些重要的方法包括以下幾個:
     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。這個方法是ClassLoader 的入口點。
     ②defineClass方法  這個方法接受類文件的字節(jié)數(shù)組并把它轉(zhuǎn)換成Class對象。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)碼分析成運行時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、校驗有效性等等。
     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對象,以將該文件轉(zhuǎn)換成類。當(dāng)運行Java應(yīng)用程序時,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,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,調(diào)用findLoadedClass 方法來查看ClassLoader是否已裝入這個類,如果已裝入,那么返回Class對象,否則返回NULL。如果強行裝載已存在的類,將會拋出鏈接錯誤。
2.3  裝載的應(yīng)用
      一般來說，我們使用虛擬機(jī)的類裝載時需要繼承抽象類java.lang.ClassLoader,其中必須實現(xiàn)的方法是loadClass()，對于這個方法需要實現(xiàn)如下操作:(1) 確認(rèn)類的名稱;(2) 檢查請求要裝載的類是否已經(jīng)被裝載;(3) 檢查請求加載的類是否是系統(tǒng)類;(4) 嘗試從類裝載器的存儲區(qū)獲取所請求的類;(5) 在虛擬機(jī)中定義所請求的類;(6) 解析所請求的類;(7) 返回所請求的類。
      所有的Java 虛擬機(jī)都包括一個內(nèi)置的類裝載器，這個內(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)計時刻已知的類,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)證而直接運行。當(dāng)應(yīng)用程序需要加載并不是設(shè)計時就知道的類時,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。

public abstract class MultiClassLoader extends ClassLoader{ 
  ... 
  public synchronized Class loadClass(String s, boolean flag) 
    throws ClassNotFoundException 
  { 
    /* 檢查類s是否已經(jīng)在本地內(nèi)存*/ 
    Class class1 = (Class)classes.get(s); 
 
/* 類s已經(jīng)在本地內(nèi)存*/ 
    if(class1 != null) return class1;  
    try/*用默認(rèn)的ClassLoader 裝入類*/ { 
      class1 = super.findSystemClass(s); 
      return class1; 
    } 
    catch(ClassNotFoundException _ex) { 
      System.out.println(">> Not a system class."); 
    } 
 
/* 取得類s的字節(jié)數(shù)組*/ 
    byte abyte0[] = loadClassBytes(s); 
    if(abyte0 == null)  throw new ClassNotFoundException(); 
 
/* 將類字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為類*/ 
    class1 = defineClass(null, abyte0, 0, abyte0.length); 
    if(class1 == null) throw new ClassFormatError(); 
    if(flag)  resolveClass(class1); /*解析類*/ 
 
/* 將新加載的類放入本地內(nèi)存*/ 
    classes.put(s, class1); 
    System.out.println(">> Returning newly loaded class."); 
 
/* 返回已裝載、解析的類*/ 
    return class1; 
  } 
  ... 
} 

 
三、Java虛擬機(jī)的類裝載原理
       前面我們已經(jīng)知道，一個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)實現(xiàn)的一部分，舉個例子來說，如果一個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。在運行期間一個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)，并像其它的任何對象一樣可以被實例化。 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)裝載一個類時,CL首先將這個類裝載請求轉(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類時,CL才獲得裝載這個類的機(jī)會。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父裝載器。在創(chuàng)建一個裝載器時, 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實現(xiàn)的一部分，從sun.boot.class.path裝載運行時庫的核心代碼。
      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行時的操作系統(tǒng)有關(guān)，這個類裝載器是用純Java代碼實現(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的時候要設(shè)置環(huán)境變量(CLASSPATH )，這個類裝載器就是從java.class.path(CLASSPATH 環(huán)境變量)中裝載代碼的，它也是用純Java代碼實現(xiàn)的，同時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)計一個類裝載器的時候，應(yīng)該滿足以下兩個條件：
     對于相同的類名，類裝載器所返回的對象應(yīng)該是同一個類對象
     如果類裝載器CL1將裝載類C的請求轉(zhuǎn)給類裝載器CL2，那么對于以下的類或接口,CL1和CL2應(yīng)該返回同一個類對象: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 可以得到裝載這個類的類裝載器。一個類裝載器認(rèn)識的類包括它的父裝載器認(rèn)識的類和它自己裝載的類，可見類裝載器認(rèn)識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首先請求它的父裝載器, 即系統(tǒng)裝載器裝載TestApplet是否裝載了這個類, 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)裝載了這個類, 所以ACL就直接將這個已經(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
      類的動態(tài)裝載機(jī)制是JVM的一項核心技術(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JVM中的類裝載有一個比較深入的理解。