（计算机应用技术专业论文）java虚拟机关键机制研究与实践.pdf

摘要 j a v a 体系结构包括四个相互关联的技术：j a v a 语言、j a v aa p i 、 c l a s s 文件和j a v a 虚拟机，其中j a v a 虚拟机是整个体系的核心部分， 它使j a v a 程序在不同的计算机系统之间具备高度的可移植性。 本文研究虚拟机的类装载器、执行引擎和垃圾收集三方面的机 制，所做的工作如下：对类装载器相关方面的阐述，包括c l a s s 文件 格式、常量池解析、双亲委派模型和类的动态装载技术，并对常量池 的u t f 8i n f o 表进行了改进，传统的类名存储方式是把所有类的全限 定名分别存储于u t f 8m f o 表中，此方式产生了许多冗余的信息，改 进的方法把类的全限定名分离为不同的结点，减少整个类的字符串在 常量池中所占据的大小，这使得在内存有限的系统中装载c l a s s 文件 后能减少对存储空间的占用。 对于j a v a 虚拟机的执行引擎，讨论了以堆栈为工作区的机制， 介绍了虚拟机的指令系统的功能，探讨了相关的执行技术，最后根据 j a v a 虚拟机规范，设计与实现了部分有代表性的虚拟机指令的功能。 在虚拟机的存储管理方面，对比了传统存储管理与j a v a 体系中 存储管理的异同，讨论了现有的垃圾收集算法，提出了对火车算法失 效情况下的处理方案，最后按照j a v a 虚拟机中分代的思想在一种嵌 入式虚拟机k v m 上设计了一个分代回收方案，该方案简单地把j a v a 内存堆分为新生代和旧生代，实验结果表明，分代后的垃圾收集相比 于默认的垃圾收集效果有了部分的提升。 关键词j a v a 虚拟机，类装载器，执行引擎，垃圾收集，分代 a b s t r a c t j a v aa r c h i t e c t u r ei n c l u d e sf o u ri n t e r r e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n g j a v al a n g u a g e ，j a v aa p i ，c l a s sf i l ea n dj a v av i r t u a lm a c h i n e j a v av i r t u a l m a c h i n ei st h ec o r eo ft h eja v aa r c h i t e c t u r ea n di tm a k e sj a v ap r o g r a m s t r a n s p l a n t e db e t w e e n d i f f e r e n tc o m p u t e rs y s t e m sw i t hh i 曲p o r t a b i l i t y i nt h i st h e s i sc l a s sl o a d e r , e x e c u t ee n g i n ea n dg a r b a g ec o l l e c t i o n m e c h a n i s m sa r es t u d i e d t h ea s p e c t sa r ea sf o l l o w s c l a s sl o a d e ra n a l y s i s i n c l u d e sc l a s sf i l ef o r m a t ，c o n s t a n tp o o lr e s o l u t i o n ，d y n a m i cl o a d i n ga n d t h em o d e lo fp a r e n t sa s s i g n m e n t t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fc l a s sn a m e s t o r a g ei n c l u d e sa l lc l a s sn a m ep a t h ，w h i c hc o n t a i n sa l o to fr e d u n d a n t i n f o r m a t i o n t h ep r o p o s e dm e t h o di m p r o v e st h et a b l eo f u t f 8 一i n f o ，p u t s t h ef u l l yq u a l i f i e dn a m eo fc l a s si nu t f 8 一i n f ot a b l ew i t hd i f f e r e n tn o d e s t h i sr e d u c e st h es p a c eo fc o n s t a n tp o o l ，t h e r e b yr e d u c i n gt h ec l a s sf i l e s i z e ，e s p e c i a l l ys a v e ss p a c ei nl i m i t e dm e m o r ys y s t e m r e g a r d i n g t h ee x e c u t ee n g i n e ，t h ew o r ka r e ao fs t a c k ，i n s t r u c t i o ns e t ， a n dt h ef u n c t i o n so ft h ee x e c u t et e c h n o l o g ya r ed i s c u s s e d f i n a l l ys o m e i n s t r u c t i o n sa r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e da c c o r d i n gt os t a n d a r dj a v a v i r t u a lm a c h i n es p e c i f i c a t i o n i n s t o r a g em a n a g e m e n t ，j a v av i r t u a l m a c h i n ea r ec o m p a r e dt o t r a d i t i o n a l s y s t e m g a r b a g ec o l l e c t i o na l g o r i t h m s a r ei n t r o d u c e da n d r e s o l u t i o no ft h ef a i l u r eo ft h et r a i na l g o r i t h ma r ep r o p o s e d f i n a l l ya s c h e m eo fg c n e r a ：t i o n 出c o l l e c t i o ni nk v mi sd e s i r e d ，w h i c h q i m r n 1 ，v d i v i d e dt h em e m o r yh e a pi n t oy o u n gg e n e r a t i o na n do l dg e n e r a t i o n t h e e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w sal i t t l eu p g r a d eo fp e r f o r m a n c ec o m p a r e dt ot h e d e f a u l tg a r b a g ec o l l e c t i o nm e t h o di nk v m k e yw o r d sj a v av i r t u a lm a c h i n e ，c l a s s l o a d e r ，e x e c u t ee n g i n e ， g a r b a g ec o l l e t i o n ，g e n e r a t i o n n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：至e 叠盔日期：j 竺l 年月l 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：望雌 导师签名日期：丑年月上e t 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 多数软件产品在开发初期，由于受到各种限制，设计者并没有从架构与实现 上考虑程序的可移植性，从而导致对平台的依赖性较强，用户界面和事务逻辑的 分离不够完善，因此在技术上给移植带来了极大的困难。尤其是桌面应用程序， 系统模型和函数接口本身差异很大，平台依赖更加紧密【1 1 。 另外，由于历史的原因，企业或部门内必然存在多种互不兼容的计算平台， 许多迟钝、老化的遗留系统必须继续加以应用。计算平台的差异性，增加了i t 管理的复杂性，从而导致内部管理成本的提高，减弱企业的竞争力。最为糟糕的 情况莫过于在某个非常陈旧的系统上运行的业务逻辑出现了问题，尤其是在那些 运行关键核心业务的系统上。此外，对遗留系统代码的移植也会成为一个问题。 使用虚拟机可以在一定程度上避免这种事情的发生【2 1 。虚拟机运行于操作系统之 上，为每个操作系统开发一个版本，它向上提供一组标准的应用程序编程接口 ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，a p i ) ，实现了自定义的a p i 到操作系统的 a p i 之间的连接、转换。虚拟机屏蔽了底层系统的差异性，实现了程序在操作系 统间的复用，同时增加了一个系统运行级别，提升了系统的安全性能。j a v a 就是 一个这样的先进企业计算平台，j a v a 虚拟机( j a v av i r t u a lm a c h i n e ，j v m ) 有自己完 善的硬件架构，如处理器、堆栈等，还具有相应的指令系统。j a v a 虚拟机屏蔽了 与具体操作系统平台相关的信息，使得j a v a 程序只需生成在j a v a 虚拟机上运行 的目标代码( 字节码) ，就可以在多种平台上不加修改地运行。j a v a 并非是第一个 采用虚拟机概念的体系，但却是第一个得到广泛运用的虚拟机平台。虚拟是一种 隔离物理资源与逻辑资源的手段，j a v a 虚拟机则是用来隔离物理机器、底层操作 系统与j a v a 语言规范实现的手段1 3 l 。 因此，j a v a 虚拟机作为一种先进的技术，提供了开发者更多的自主和选择， 为大型软件的开发提供了一个功能强大、扩展性良好的平台。研究j a v a 虚拟机 技术，可以使软件更高效的在虚拟机上运行，而不用过多考虑程序的移植性，从 而使得软件的可重用性大大提高。由于国外各大公司并没有对旗下的j a v a 虚拟 机产品公开技术的细节，所以通过j a v a 虚拟机的研究，还能够快速掌握先进的 计算机技术，获得大量有益的经验，继而将这些技术应用于国产软件的研发和设 计上来，打破国外公司在技术上的垄断。 硕七学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究现状 在2 0 世纪6 0 年代i b m 公司的v m 3 7 0 操作系统上最早应用了虚拟机的设 计思想，此后，很多公司也陆续开始研究虚拟机技术，如i n t e l 、m i c r o s o f t 、s u n 等公司。通过使用虚拟机，程序的移植变得更方便，只需移植虚拟机和相关的支 持程序库到新的系统，所有上层的应用程序都不需要更动。同时由于虚拟机的隔 离作用，也使得基于虚拟机的应用程序变得更安全1 4 1 。j a v a 源程序编译后产生二 进制代码，它的指令集与具体机器指令集无关，通过j a v a 虚拟机解释后，j a v a 程序可以在不同的平台上运行。j a v a 虚拟机规范所定义的抽象计算机，和实际的 计算机一样，具有一个指令集，但是它却往往比实际的硬件机器简单。虽然虚拟 机技术在j a v a 之前已经出现一段时间了，但是没有进入主流，而且使用虚拟机 机制来实现编程语言并不是j a v a 的创举，此方法在此之前已经出现，如 u c s c p a s c a l 的p c o d e 机等，由于j a v a 语言的广泛流行，使得s u n 公司j a v a 虚 拟机相比其他语言解释器要出名得多。s u n 公司是j a v a 语言的创始者，它制定了 业界的统一标准，即j a v a 虚拟机规范【5 j 。 在嵌入式系统上运用j a v a 虚拟机使得嵌入式程序的编写和移植更加简单易 行，其中著名的嵌入式虚拟机有s u n 公司的k i l o b y t e sv i r t u a lm a c h i n ，即k v m ， 最早的k v m 的是在p a l m 操作系统上实现的。为了达到让应用程序本身能够跨 平台，已经有许多公司极地将k v m 放置到本身的产品之中，例如i b m 的 v i s u a l a g e ，k a d a s y s t e m s 的k a d a v m ，i n s i g n i a s o l u t i o n s 的j e o d e v m 掣6 。目前各 虚拟机厂商对嵌入式j a v a 虚拟机的研究和应用作了很多工作，但是还是不能够 达到一个令人满意的程度，所以很多大公司都在不停地研究提升自己产品的性 能。 在j a v a 虚拟机类装载器的常量池中，目前的做法是把类的全限定名完整路 径全部存储于u t f 8i n f o 表中，这样的做法简单易行，但是，当虚拟机转载的类 数目庞大时，会产生很多的冗余空间，此方法在在系统有限的嵌入式环境上会浪 费较多的存储空间。本文将对此问题提出一种新的类名存储方案，来减少类的全 限名对存储空间的占用。 对于j a v a 虚拟机指令的执行技术，最早采取的是解释执行的方法，此方法 每次对一条指令解释后，再在宿主机上执行，这种执行方式简单，但是执行的速 度较慢，随后又产生了即时编译的技术，即把所有的虚拟机指令全部编译为本地 代码后再执行，即时编译的执行技术在执行指令时速度很快，但需要额外的空间 来存储编译后的机器码。自适应优化技术根据指令的执行频度，把常用的指令编 译为本地码，这种执行方式不但加快了指令的执行速度，而且降低了编译后指令 2 硕士学位论文 第一章绪论 所需的存储空间，是目前最常用的指令执行技术。 自动垃圾收集是j a v a 虚拟机的一个显著特点，现在除了经典的垃圾收集技 术，还有各种各样的高级垃圾收集技术，如分代式回收等，这些垃圾收集方采用 的算法不尽相同，而各种垃圾收集算法都或多或少的存在着一些缺陷，比如火车 算法，它作用于分代收集的成熟对象空间，其目的是为了在成熟对象空间提供限 定时间的渐进收集，目前正用于s u n 公司的h o t s p o t 虚拟机，但火车算法会在某 种情况下失效：如果在收集当前火车的其它车厢引用到当前车厢的对象，并且此 对象在本列火车的转移而导致对同- n 火车的回收不断循环，使得不能完成后面 车厢的回收，本文会对其进行改进。在k v m 的垃圾回收方面为了使程序简单高 效，默认采取的是标记清楚算法，此算法虽简单易行，却失去了分代算法的优势， 本文将尝试在l m 上设计一个分代算法。 在国外，各大i t 公司对j a v a 虚拟机的研究较为成熟，如s u n 、i b m 等公司 都研发出了自己旗下的j a v a 虚拟机产品。目前，我国对j a v a 虚拟机这的研究并 不是很多，还没有自主产权的j a v a 虚拟机，全国只有少数大学在研发自己的嵌 入式j a v a 虚拟机，国内的虚拟机和国外的同类产品还存在很大的差距。在g n u 7 j 等组织的推动下，现在已经有许多很好的开源j a v a 虚拟机，同时也吸引了大批 的爱好者投入到j a v a 虚拟机的研究中。 1 3j a v a 虚拟机体系结构简介 j a v a 包括四个相互关联的技术：j a v a 语言、j a v aa p i 、c l a s s 文件和j a v a 虚 拟机，其中j a v a 技术的核心是j a v a 虚拟机，所有的j a v a 程序都在其上运行。j a v a 虚拟机是一个想象中的机器，在实际的计算机上可以用不同的方式( 软件或硬件) 加以实现【8 】。j a v a 虚拟机屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得j a v a 语言 编译程序只需生成在j a v a 虚拟机上运行的目标代码( 字节码) ，就可以在多种平 台上不加修改地运行。j a v a 虚拟机有自己想象中的硬件，如处理器、堆栈、p c 寄存器等，还具有相应的指令系统。s u n 公司定义了j a v a 虚拟机规范，只要根据 j a v a 虚拟机规格描述，将解释器移植到特定的计算机上，就能保证经过编译后的 j a v a 代码能够在该系统上运行。图1 1 是j a v a 虚拟机的体系结构图。 类装载器子系统负责把c l a s s 文件载入j a v a 虚拟机，它是运行j a v a 程序的第 一道流程：运行时数据区是j a v a 程序运行的场所；执行引擎是j a v a 虚拟机的核 心，它执行j a v a 虚拟机的指令，完成对j a v a 程序的执行；本地方法接口是实现 j a v a 方法与宿主机本地方法互相调用的连接点，通过本地方法接口可以实现对宿 主机本地方法的调用，加强了j a v a 程序的平台无关性哺j 。 硕士学位论文第一章绪论 j a v a 虚拟机的每个实例都有一个它自己的方法区和一个堆，运行于j a v a 虚 拟机内的所有的线程都共享这些区域。当虚拟机装载类文件的时候，它解析其中 的二进制数据所包含的类信息，并把它们放到方法区中。当程序运行的时候，j a v a 虚拟机把程序初始化的所有对象置于堆上，而每个线程创建的时候，都会拥有自 己的程序计数器p c 和j a v a 栈，其中程序计数器中的值指向下一条即将被执行的 指令，线程的j a v a 栈则存储为该线程调用j a v a 方法的状态：本地方法调用的状 态被存储在本地方法栈，该方法栈依赖于具体的实现。 c l a s s 文件 圈田曰圈圈 图1 1j a v a 虚拟机体系结构 类装载器、运行时数据区、执行引擎、本地方法接口等模块一起组成了虚拟 机的内部体系结构，这些定义严格地规定了虚拟机所要实现的外部特征以及模块 之间的交互，对于运行时的具体细节，大多由实现的设计者来决定。 1 3 1 类装载器 j a v a 虚拟机的类装载就是指将包含在类文件中的字节码载入j a v a 虚拟机中， 并使其成为j a v a 虚拟机的一部分【9 1 。类装载器把一个类装入j a v a 虚拟机中，要 经过三个步骤来完成t 装载、连接和初始化，其中链接又可以分成校验、准备和 解析三步，除了解析外，其它步骤是严格按照顺序完成的，各个步骤的主要工作 如下【l o l ： 装载 查找和导入类或接口的二进制数据； 连接 执行校验、准备和解析步骤。其中校验指检查导入类或接口的二进制数据的 正确性；准备阶段负责给类的静态变量分配并初始化存储空间；解析的作用是将 4 硕士学位论文第一章绪论 符号引用转成直接引用。 初始化 初始化类的静态变量和静态j a v a 代码块。 j a v a 虚拟机中类的装载是由c l a s s l o a d e r 和它的子类来实现的，j a v a c l a s s l o a d e r 这个类负责在运行时查找和载入类文件。 1 3 2 运行时数据区 当j a v a 虚拟机运行一个程序时，它需要内存来存储各类信息，例如字节码、 从已装载的c l a s s 文件中得到的信息、程序创建的对象、传递给方法的参数、返 回值、局部变量、以及运算的中间结果等【l i j 。j a v a 虚拟机把这些数据都组织到 “运行时数据区 中，以便于管理。运行时数据区包括方法区、堆、j a v a 栈、p c 寄存器和本地方法栈。j a v a 虚拟机的每个实例都有一个它自己的方法区和堆，运 行于j a v a 虚拟机内的所有的线程都共享这些区域。当虚拟机装载类文件的时候， 它解析类文件的二进制数据包含的信息，并把它们放到方法区中。当程序运行的 时候，j a v a 虚拟机把程序初始化的所有对象置于堆上。一个j a v a 虚拟机中只存 在一个堆空间，故所有线程共享这个堆。在j a v a 虚拟机的堆里存放着正在运行 的j a v a 程序所创建的所有对象( 类实例或者数组) 。堆空间的回收由垃圾收集器 完成，j a v a 虚拟机规范并没有指定垃圾收集应该采取什么技术，甚至没有强制规 定垃圾收集器，这些都由虚拟机的设计者根据需要自行决定。当启动一个新线程 的时候，j a v a 虚拟机会为它分配一个j a v a 栈，j a v a 以栈帧为单位保存线程的运 行状态。帧数据区主要用来保存关于支持常量池解析、正常方法返回以及异常派 发等机制所需要的信息。 当线程创建的时候，都会拥有自己的程序计数器p c 和j a v a 栈，其中程序计 数器中的值指向下一条即将被执行的指令，线程的j a v a 栈则存储为该线程调用 j a v a 方法的状态。本地方法调用的状态被存储在本地方法栈，该方法栈依赖于具 体的实现。p c 寄存器和j a v a 栈域是私有的，任何线程都不能访问另一个线程的 p c 寄存器和j a v a 栈i l 2 。 1 3 3 执行引擎 执行引擎是j a v a 虚拟机实现的核心，j a v a 虚拟机中的执行引擎就好比中央 处理器，使得j a v a 虚拟机重复不断地读取字节码并执行，直到虚拟机进程退出。 j a v a 虚拟机规范中规定：执行引擎的行为由指令集来规定。对于每条指令，规范 都详细规定了执行该指令时应该“做什么 ，但是没有说明“如何做 ，因此j a v a 虚拟机的实现者可以采取解释执行技术、即时编译( j u s ti nt i m e ，j i t ) 技术或 者直接在专用芯片上执行指令的技术，甚至可以是它们的混合技术。由于指令系 硕士学位论文 第一章绪论 统的简单性，使得虚拟机执行指令的过程十分简单，从而有利于提高指令的执行 效率13 1 。 1 3 4 本地方法接口 本地方法是把j a v a 程序与非j a v a 语言程序和平台相关功能结合的有效方式， 在考虑较少安全性和可移植性的情况下，j a v a 本地方法对于大量已有非j a v a 软 件的利用，以及直接操纵硬件的程序将发挥很好的作用【l4 1 。 本地方法接口( j a v a n a t i v ei n t e r f a c e ，j n i ) 是用于实现与本地方法交互的机 制，它可以使得开发者在一特定的主机平台上，把与j n i 兼容的本地方法以二进 制形式连接到任何支持j n i 的虚拟机实现上。j n i 最重要的好处是它没有对底层 j a v a 虚拟机的实现施加任何限制。因此，j a v a 虚拟机厂商可以在不影响虚拟机 其它部分的情况下添加对j n i 的支持。程序员只需编写一种版本的本地应用程 序或库，就能够与所有支持j n i 的j a v a 虚拟机协同工作。然而，对于本地方 法接口，实现j a v a 虚拟机并不要求一定要有它的支持，甚至可以完全没有。s u n 公司实现j n i 是出于可移植性的考虑，当然也可以设计出其它的本地接口来代替 s u n 公司的j n i t ”j 。 1 4 论文主要工作和结构安排 本文的主旨是对j a v a 虚拟机的类装载器、执行引擎和垃圾回收机制三个方 面的内容进行研究，主要工作为：对常量池的u t f 8 一i n f o 表进行改进，实现虚拟 机有代表性的指令的功能，在一种嵌入式虚拟机k v m 上设计一种分代算法。论 文内容的组织结构如下： 第一章绪论：论述课题的研究背景和国内外研究现状，分析j a v a 虚拟机体 的基本体系结构，并在此基础上简要分析各组成部件的功能。 第二章类装载器分析：首先阐述j a v a 虚拟机的类装载器子系统，然后分析 类装载器的体系结构，最后对常量池中的u t f 8 一i n f o 表提出改进方案。 第三章指令系统与执行引擎：阐述j a v a 虚拟机的指令系统，分析执行引擎 是如何获取并执行指令的，并在此基础上实现常用指令的算法。 第四章垃圾收集算法分析：首先介绍经典的垃圾收集算法，对火车算法进 行研究并针对其存在的问题提出改进策略，最后在一种嵌入式虚拟机k v m 上设 计一个分代回收算法。 第五章总结与展望：总结论文工作的成果及需要进一步研究的内容。 6 硕士学位论文第二章类装载器内部实现原理分析 第二章类装载器内部实现原理分析 类装载器是j a v a 虚拟机中重要的组成部分，它根据用户或者上一级程序所 提供的类或接口的名字，寻找相应的c l a s s 文件，然后在方法区中生成一种能够 存储c l a s s 文件中所有信息的数据结构，最后将这些信息导人该数据结构中，并 使其成为j a v a 虚拟机的一部分。 2 1j a v ac l a s s 文件 j a v ac l a s s 文件是对j a v a 程序二进制文件格式的精确定义。每一个j a v ac l a s s 文件都对一个j a v a 类或接口做出了全面的描述。对j a v ac l a s s 文件的精确定义使 得所有j a v a 虚拟机都能够正确地读取和解析c l a s s 文件。表2 1 按照在c l a s s 文件 中出现的顺序列出了主要表项1 1 。 表2 1c l a s s f i l e 表的格式 7 硕士学位论文第二章类装载器内部实现原理分析 j a v ac l a s s 文件是8 位字节的二进制流。数据项按顺序存储在c l a s s 文件中， 相邻的项之间没有任何间隔，从而可以使c l a s s 文件紧凑，其中占据多个字节空 间的项按照高位在前的顺序分为几个连续的字节存放【1 5 】。 和j a v a 的类可以包含多个不同的字段、方法、方法参数、局部变量等一样， j a v a c l a s s 文件也能够包含许多大小不同的项。在c l a s s 文件中，各项的大小和长 度位于其实际数据之前，这个特性使得c l a s s 文件流可以从头到尾被顺序解析， 首先读出项的大小，然后读出项的数据【l6 1 。 在c l a s s 文件表中，u 2 表示占两个字节的无符号整型，“表示占四个字节的 无符号整型。m a g i c 即魔数：o x c a f e b a b e ，作用在于分辨j a v ac l a s s 文件和非 j a v ac l a s s 文件，如果一个文件不是以魔数开头则肯定不是j a v ac l a s s 文件。 m a j o rv e r s i o n 和m i n o rv e r s i o n 是c l a s s 文件的主次版本号。 c o n s t a n tp o o l 表示常量池，常量池包含了与文件中的类和接口相关的常量。 常量池中存储了诸如文字字符串、f i n a l 变量值、类名和方法名的字符串常量。j a v a 虚拟机把常量池组织为入口列表的形式。尽管c o n s t a n tp o o l 列表中没有索引值 为0 的入1 2 1 ，但缺失的这一入1 2 1 也被c o n s t a n tp o o lc o u n t 计数在内。每个常量池 入口都从一个长度为一个字节的标志开始，这个标志指出了列表中该位置常量的 类型。表2 2 列出了所有常量池标志的名字和值【i 】。 表2 2 常量池标志 硕士学位论文第二章类装载器内部实现原理分析 常量池表中的每一个标志都有一个相对应的表。表名通过在标志名后加上 “i n f o ”来产生。例如对应于入口类型c o n s t a n tc l a s s 的标志为7 ，它的表 名是c o n s t a n tc l a s si n f o 。在动态连接的j a v a 程序中，常量池充当了十分重 要的角色，在运行时，j a v a 虚拟机使用常量池的全限定名、方法和字段的描述符， 把当前类或接口中的代码与其它类或接口中的代码连接起来。 c l a s s 文件表中的a c c e s sf l a g s 表示类或接口的信息，如是类还是接口、修饰 符信息等。t h i sc l a s s 是对一个常量池的索引，在t h i sc l a s s 位置的常量池入口必 须为c o n s t a n tc l a s si n f o 表。如图2 1 ： 常量池入口2 常量池入口7 t h i sc l a s s 项 图2 1t h i s c l a s s 对常量池的引用 在图2 1 中，虚拟机首先通过索引2 进入c o n s t a n tc l a s si n f o 常量池2 号入 口，再根据当中的n a m ei n d e x 进入c o n s t a n tu t t 8i n f o 常量池入口7 ，从而 得到类名。 s u p e rc l a s s 也是对一个常量池的索引，在s u p e rc l a s s 位置的常量池入e l 是一 个指向该类型超类的全限定名的c o n s 吖悄tc l a s si n f o 入口。i n t e r f a c e sc o u n t 和i m e r f a c e s 这两项的含义分别为：该类的父接口的数量和i n t e r f a c e s 数组。 f i e l d sc o u n t 是类变量和实例变量的字段数量总和。f i e l d s 是不同长度的 f i e l d si n f o 表的序列。在f i e l d s 列表中，不列出从超类或者父接口继承而来的字 段。每一个f i e l di n f o 表都展示了一个字段的信息，此表包含了字段的名字、描 述符和修饰符。m e t h o d sc o u n t 是所声明的方法的总计数，这个计数值包括在该 类或着接口中显示定义的方法。m e t h o d s 是m e t h o di n f o 表的序列，它包含了与 方法有关的信息，如方法名和描述符( 方法的返回值类型和参数类型) 。 a t t r i b u t e sc o u n t 是所定义的属性的总和。a t t r i b u t e s 是a t t r i b u t ei n f o 表的序列，每 个a t t r i b u t ei n f o 的第一项是指向常量池中c o n s t a n tu t t 8i n f o 表的索引，该 9 硕士学位论文 第二章类装载器内部实现原理分析 表给出了属性的名称。 2 2 双亲委派模型 j a v a 虚拟机在运行时会产生如下几个类装载器：b o o t s t r a pc l a s s l o a d e r 、 e x t e n s i o nc l a s s l o a d e r 和a p pc l a s s l o a d e r 。其中b o o t s t r a pc l a s s l o a d e r 为启动类 加载器，主要负责i d k 目录下的 等核心类库的装入工作；h o m e l i ba j a r e x t e n s i o n c l a s s l o a d e r 为扩展类加载器，主要负责j d kh o m e l i b e x t 目录下的j a r 包装入工 作；a p p c l a s s l o a d e r 为系统类加载器，主要负责j a v a c l a s s p a t h d j a v a c l a s s p a t h 所指定目录下的类与j a r 包的装载。 j a v a 虚拟机提供了抽象类c l a s s l o a d e r ，所有用户自定义类装载器都实例化 自c l a s s l o a d e r 的子类。 a p pc l a s s l o a d e r 是一个特殊的用户自定义类装载器， 由j a v a 虚拟机的实现者提供，在编程者不特别指定装载器的情况下默认装载用 户类。系统类装载器可以通过c l a s s l o a d e r g e t s y s t e m c l a s s l o a d e r 0 方法得到。j a v a 采用了“双亲委派”的加载模式，如图2 2 所示， 图2 2 双亲委派模型 从图2 2 可以看出，在双亲委派模式下，当一个装载器被请求装载某个类时，它 首先委托自己的父装载器去装载，若父装载器能装载，则返回这个类所对应的 c l a s s 对象，若不能装载，则由父装载器的父装载器去装载。具体来说就是，首 先自底向上，逐个检查是否已经加载了要装载的类，如果已经载入，则直接返回 该类实例的引用；如果直到b o o t s t r a pc l a s s l o a d e r 也未加载成功指定的类，则抛 出异常，然后自顶向下逐个尝试加载，直到c u s t o m c l a s s l o a d e r ，若还未能加载， 1 0 硕士学位论文第二章类装载器内部实现原理分析 就抛出c l a s s n o t f o u n d e x c e p t i o n 给调用者。这种双亲委派模式使得用户自定义的 类装载器不可能装载应该由父亲装载器装载的可靠类，从而防止不可靠甚至恶意 代码带来的安全隐患。 2 3 动态加载机制 j a v a 的加载方式分为隐式加载和显示加载，所谓隐式加载就是在程序中用 n e w 关键字来定义一个实例变量，在虚拟机执行到n e w 关键字的时候就会把对应 的实例类加载进入内存【1 7 】。所谓显式加载就是由程序员调用自定义的类装载器 把需要的类加载到内存当中，其方式又分为两种，一种是由类i a v a 1 a n g c l a s s 的 方法f o r n a m e o 提供，另一种由类j a v a 1 a n g c l a s s l o a d e r 的方法l o a d c l a s s o 提供。 显示加载方法大大提高了程序的灵活性1 1 引。用户自定义类加载器 ( j a v a 1 a n g c l a s s l o a d e r 的子类) 在程序运行期间，通过j a v a 1 a n g c l a s s l o a d e r 的子 类动态加载c l a s s 文件，体现了j a v a 动态实时类装入特性【1 9 】。 在j a v a 中，c l a s s l o a d e r 是一个抽象类，位于j a v a 1 a n g 包中，它有如下几个 重要方法【2 啦! 】： l o a d c a s s 方法 l o a d c l a s s ( s t r i n gn a m e ，b o o l e a nr e s o l v e ) 使用委托机制来加载类。首先它执行 f i n d l o a d e d c l a s s 方法，在本类加载器中检查要加载的类是否已经加载，如果加载 了就直接返回以前加载过的这个类对象。如果这个类没有被本类加载器加载过， 则委托父类加载器去加载。 d e f i n e c l a s s 方法 这个方法接收类文件的字节数组，然后把它转换成c l a s s 对象，并校验被加 载的类的有效性。 f i n d s y s t e m c l a s s 方法 f i n d s y s t e m c l a s s 方法从本地文件系统装入文件。它在本地文件系统中找到类 文件，并使用d e f i n e c l a s s 将字节数组转换成c l a s s 对象。当运行j a v a 应用程序 时，虚拟机默认调用此方法加载类。 r e s o l v e c l a s s 方法 r e s o l v e c l a s s ( c l a s sc ) 方法解析装入的类，即把符号引用解析为直接引用。 6 n d l o a d e d c l a s s 方法 这个方法查看待装载的类是否已经被载入方法区中，如果已装入，那么返回 存在的c l a s s 对象，否则返回n u l l 。 f i n d c l a s s 方法 硕士学位论文第二章类装载器内部实现原理分析 此方法首先试图查找或者生成一个字节数组，内容是j a v ac l a s s 文件格式， 如果无法确定此数组，它产生一个异常并中止装载，否则调用d e f i n e c l a s s 把类 装入虚拟机中。 当加载一个类时，类加载器通过l o a d c l a s s o 的参数发出加载某个类文件的请 求，然后l o a d c l a s s o 既可以调用d e f i n e c l a s s o 完成类加载并定义一个c l a s s 对象， 也可以调用其它加载器的l o a d c l a l s s ( ) 委托加载类文件1 2 2 j 。因此在加载类文件时可 以通过继承c l a s s l o a d e r 并且覆盖l o a d c l a s s 或者f i n d c l a s s 方法，来产生自定义 的类装载器。另外，j a v a 1 a n g c l a s s 类中的f o r n a m e 方法也能装载类型( 类或接 口) ，f o r n a m e 方法和l o a d c l a s s 方法的不同点在于：l o a d c l a s s 方法试图保证被装 载的类型是被装载到用户自定义的类装载器的命名空间里，而f o r n a m e 方法试图 确认所需的类型被装载到当前命名空间中，这个当前命名空间就是类型所属的定 义类装载器的命名空间1 2 引。 2 4 对常量池的改进方案 2 4 1 问题的提出 常量池是一个可变长度c p _ i n f o 表的有序序列，这些c p _ i n f o 表的通常形式 如下所示： 一 c p _ i n f o u lt a g ； u li n f o j c p _ i n f o 表中的t a g 项是一个无符号的b y t e 类型值，它表明了表的类型和格式， c p _ i n f o 表一共有1 1 种类型，分别代表整数、浮点数、长整数、双精度浮点数、 类、字符串、字段、方法、接1 2 1 方法、描述符、和u t f 8 常量字符串等信息，i n f o 数组的值取决于t a g 值，如果t a g 表示整数、浮点数等则为固定大小，若为字符 串形式则长度为可变的。 在常量池中所有的字符串都被编码为标准的u t f 8 的格式，并存放到常量池 中的u t f 8 一i n f o 表中，u t f 8 一i n f o 表的结构如下【2 4 1 ： c o n s t a 幔u # _ i n f o u lt a g ； u 2l e n g t h ； 1 2 硕士学位论文第二章类装载器内部实现原理分析 u lb y t e s 1 e n g t h j ) 其中t a g 项的值为c o n s t a n t _ u t f s ( 1 ) ，l e n g t h 项给出了后续b y t e s 项的长度，b y t e s 数组包含的是按照u t f 8 格式存储的字符串。c o n s t a n tu t f 8i n f o 表中存储了 四种基本的信息类型：文字字符串、被定义的类和接口的描述符、对其它类或接 口的符号引用以及与属性相关的字符串【2 5 】。 在常量池的其它表中，如f i e l d r e lm e t h o d r e f 和i n t e r f a c e m e t h o d r e f ，它们具 有相似的结构，如图2 3 所示： 图2 3 字段和方法的结构图 根据字段和方法中引用结构的相似性，可以知道，虚拟机在解析类、字段以 及方法时要利用u t f 8i n f o 表取得类型名字、描述符信息等的关联，在这之前， 虚拟机需要预先存储各种字符串常量到u t f 8i n f o 表中，字段和方法的结构如下： f i e l d _ i n f o u 2a c c e s s _ f l a g s ； u 2n a m e i n d e x ； z 口d e s c r i p t o ri n d e x ； u 2a t t r i b u t e s _ c o u n t ； a t t r i b u t e _ i n f o * f i e l d s _ a t t r i b u t e ； 在f i e l d i n f o 结构中其中a c c e s s _ f l a g 表示字段的访问类型，n a m e i n d e x 表示对常 量池u t f 8 一i n f o 的索引，代表所在的类型名，d e s c r i p t o r i n d e x 也是对常量池 u t f 8i n f o 的索引，代表字段的描述符，a t t r i b u t e sc o u n t 表示字段所具有的属性个 数，最后一项是字段的属性。 m e t h o di n f o u 2a c c e s s _ f l a g ； 硕+ 学位论文第二章类装载器内部实现原理分析 u 2n a m