Class 文件格式、執(zhí)行引擎主要以 Class 文件描述了存儲格式、類何時加載、如何連接、VM 如何執(zhí)行字節(jié)碼指令，這些動作基本都是 JVM 直接控制，用戶代碼無法干預(yù)和改變；

用戶可以干預(yù)的只有字節(jié)碼生成、類加載器兩部分，而這兩部分的應(yīng)用是許多常用功能和程序?qū)崿F(xiàn)的基礎(chǔ)；

1. Tomcat: 正統(tǒng)的類加載器架構(gòu)

一個功能完備的 Web 服務(wù)器（Tomcat、Jetty、WebLogic、WebSphere），都要解決如下問題：

• 部署在同一服務(wù)器的兩個 Web 應(yīng)用程序所使用的 Java 類庫實現(xiàn)相互隔離，相互獨立使用；
• 部署在同一服務(wù)器的兩個 Web 應(yīng)用程序所使用的 Java 類庫實現(xiàn)相互共享，減少資源（主要是內(nèi)存，JVM 方法區(qū)）浪費；
• 服務(wù)器要盡可能保障自身安全不受部署的 Web 應(yīng)用程序影響，服務(wù)器使用的類庫應(yīng)與應(yīng)用程序的類庫相互獨立；
• 支持 JSP 的 Web 服務(wù)器大多支持 HotSwap 功能，而 JSP 純文本存儲的特性導(dǎo)致其被篡改的幾率遠(yuǎn)大于 Java 類庫和自身 Class 文件，因此也需要提供 Production Mode（生成模式） 下不處理 JSP 文件的功能（如 WebLogic）；

單獨的一個 ClassPath 無法滿足 Web 應(yīng)用的部署需求，因此 Web Server 各自提供了不同含義的第三方類庫 ClassPath（lib、classes，各自對應(yīng)不同的訪問范圍和服務(wù)對象），每個路徑需要相應(yīng)的自定義類加載器去加載里面的 Java 類庫；

Tomcat 目錄

• /common/*，Common 類加載器負(fù)責(zé)，類庫可以被 Tomcat 和所有 Web 應(yīng)用程序共同使用；
• /server/*，Catalina 類加載器（也稱 Server 類加載器）負(fù)責(zé)，類庫可被 Tomcat 使用，對所有 Web 應(yīng)用程序不可見；
• /shared/*，Shared 類加載器負(fù)責(zé)，類庫可以被所有 Web 應(yīng)用程序共同使用，對 Tomcat 不可見；
• /lib/*，Tomcat 6 之后，默認(rèn)不開啟 server.loader 和 share.loader 兩個類加載器，而是用 Common 類加載器替代，因此 /common/*、/server/*、/shared/* 三個路徑默認(rèn)合并到了一個 /lib/* 路徑，相當(dāng)于 /common/* 的作用，
• /WEB-INF/*，Webapp 類加載器負(fù)責(zé)，每個 Web 應(yīng)用程序?qū)?yīng)一個 Webapp 類加載器，類庫僅可被當(dāng)前 Web 應(yīng)用程序使用，對 Tomcat 和其他 Web 應(yīng)用程序不可見；

JSP 類加載器負(fù)責(zé) JSP 文件的加載，每個 JSP 文件對應(yīng)一個 JasperLoader 類加載器；而 JSP 加載器存在的目的就是被丟棄，一旦 JSP 文件被修改，就需要新建一個 JSP 類加載器替換舊的，以實現(xiàn) JSP 文件的 HotSwap 功能；

Common 類加載器能夠加載的類可以被 Catalina 類加載器和 Shared 類加載器使用；Catalina 類加載器和 Shared 類加載器加載的類相互隔離；Webapp 類加載器可以使用 Shared 類加載器加載的類，但各 Webapp 類加載器加載實例之間相互隔離；

2. OSGi: 靈活的類加載器架構(gòu)

OSGi 的研究有助于學(xué)習(xí)類加載器的知識；

OSGi，Open Service Gateway Initiative，OSGi 聯(lián)盟制定的一個基于 Java 語言的動態(tài)的模塊系統(tǒng)規(guī)范（JDK 9 引入的 JPMS 是靜態(tài)的模塊系統(tǒng)）；因與 JPMS 模塊化特性重疊，OSGi 現(xiàn)在著重向動態(tài)模塊化系統(tǒng)的方向發(fā)展，用于實現(xiàn)模塊級熱插拔等；許多大型軟件平臺和中間件服務(wù)器都是基于或聲明將要基于 OSGi 規(guī)范來實現(xiàn)的（如 IBM Jazz、GlassFish、JBoss OSGi 等）；

Bundle，OSGi 的模塊，類似于普通 Java 類庫，且都是以 JAR 格式封裝，內(nèi)部都是 Java 的 Package 和 Class；但 Bundle 可以額外聲明它所依賴的 Package（Import Package）和它允許導(dǎo)出發(fā)布的 Package（Export Package，未 export 的 package 和 Class 對外將是不可見的），用于精準(zhǔn)控制可見性和依賴關(guān)系；

OSGi 的 Bundle 類加載器之間只有規(guī)則，沒有固定的委派關(guān)系；所有 Package 的類加載動作都會委派給發(fā)布它的 Bundle 類加載器來完成；不涉及某個具體 Package 時，所有 Bundle 加載器都是平級關(guān)系，只有具體到某個 Package 或 Class 時，才根據(jù) Package 導(dǎo)入導(dǎo)出定義來構(gòu)造 Bundle 間的委派和依賴；

假設(shè)存在 Bundle A、Bundle B、Bundle C，且 3 個 Bundle 的依賴關(guān)系如下：

• Bundle A: 聲明發(fā)布了 packageA，依賴了 java.* 的包；
• Bundle B: 聲明依賴了 packageA 和 packageC，同時也依賴了 java.* 的包；
• Bundle C: 聲明發(fā)布了 packageC，依賴了 packageA；

3 個 Bundle 之間的類加載器及父類加載器之間的關(guān)系如下：

• 以 java.* 開頭的類，委派給父類加載器；
• 否則，在委派列表名單的類，委派給父類加載器；
• 否則，Import 列表中的類，委派給 Export 這個類的 Bundle 的類加載器；
• 否則，查找當(dāng)前 Bundle 的 ClassPath，使用自己的類加載器；
• 否則，查找是否在自己的 Fragment Bundle 中，若在，則委派給 Fragment Bundle 的類加載器；
• 否則，查找 Dynamic Import 列表的 Bundle，委派給對應(yīng) Bundle 的類加載器；
• 否則，類查找失敗；

若 Bundle A 依賴 Bundle B 的 Package B，Bundle B 依賴 Bundle A 的 Package A；在類加載時，首先加載 Bundle A 時會鎖定 Bundle A 的類加載器實例，然后委派 Bundle B 的類加載器去加載 Bundle B；而此時加載 Bundle B 的線程也會鎖定 Bundle B 的類加載器實例，再去請求 Bundle A 的 Package A，如此相互等待，就會形成死鎖；（這個問題在 JDK 7 之前可以通過 osgi.classloader.singleTheadLoads 參數(shù)強制單線程串行進(jìn)行類加載解決，但會損耗性能；在 JDK 7 之后才從 JDK 層面得到解決，將鎖的級別從 ClassLoader 對象本身降到了要加載的類名級別）

3. 字節(jié)碼生成技術(shù)與動態(tài)代理的實現(xiàn)

JDK 中的 javac 是字節(jié)碼技術(shù)的老祖宗，學(xué)習(xí)字節(jié)碼的最好方式是閱讀 javac 的源碼（jdk.compiler/xhare/classes/com/sun/tools/javac）；

使用字節(jié)碼的場景有 Web 服務(wù)器中的 JSP 編譯器、編譯時織入的 AOP、動態(tài)代理、反射也可能通過運行時生成字節(jié)碼提高執(zhí)行速度；

動態(tài)代理，針對使用 Java 代碼實現(xiàn)代理類的靜態(tài)代理寫法，動態(tài)代理在原始類和接口未知的情況下，實現(xiàn)代理類的行為，讓代理類和原始類脫離了直接關(guān)系，從而讓代理可以靈活的重用在不同場景；Spring 通過動態(tài)代理的方式對 Bean 進(jìn)行增強；

動態(tài)代理示例

public class DynamicProxyTest {interface IHello {void sayHello();}static class Hello implements IHello {@Overridepublic void sayHello() {System.out.println("hello world");}}static class DynamicProxy implements InvocationHandler {Object originalObj;Object bind(Object originalObj) {this.originalObj = originalObj;return Proxy.newProxyInstance(originalObj.getClass().getClassLoader(), originalObj.getClass().getInterfaces(), this);}@Overridepublic Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {System.out.println("welcome");return method.invoke(originalObj, args);}}public static void main(String[] args) {IHello hello = (IHello) new DynamicProxy().bind(new Hello());hello.sayHello();hello.toString();// 輸出：// welcome// hello world// welcome}
}

Proxy::newProxyInstance() 方法返回一個實現(xiàn)了 IHello 的接口，并代理了 new Hello() 實例化的對象；其中程序進(jìn)行了驗證、優(yōu)化、緩存、同步、生成字節(jié)碼、顯示類加載等；

設(shè)置保存運行時生成的代理類字節(jié)碼文件

// 在 main() 中添加如下代碼
System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");

可以得到 #Proxy0.class 的 Class 文件，通過反編譯，可以得到動態(tài)代理類；

//
// Source code recreated from a .class file by IntelliJ IDEA
// (powered by FernFlower decompiler)
//package edu.aurelius.jvm.clazz;import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
import java.lang.reflect.UndeclaredThrowableException;final class $Proxy0 extends Proxy implements DynamicProxyTest.IHello {private static Method m1;private static Method m3;private static Method m2;private static Method m0;public $Proxy0(InvocationHandler var1) throws  {super(var1);}public final boolean equals(Object var1) throws  {try {return (Boolean)super.h.invoke(this, m1, new Object[]{var1});} catch (RuntimeException | Error var3) {throw var3;} catch (Throwable var4) {throw new UndeclaredThrowableException(var4);}}public final void sayHello() throws  {try {super.h.invoke(this, m3, (Object[])null);} catch (RuntimeException | Error var2) {throw var2;} catch (Throwable var3) {throw new UndeclaredThrowableException(var3);}}public final String toString() throws  {try {return (String)super.h.invoke(this, m2, (Object[])null);} catch (RuntimeException | Error var2) {throw var2;} catch (Throwable var3) {throw new UndeclaredThrowableException(var3);}}public final int hashCode() throws  {try {return (Integer)super.h.invoke(this, m0, (Object[])null);} catch (RuntimeException | Error var2) {throw var2;} catch (Throwable var3) {throw new UndeclaredThrowableException(var3);}}static {try {m1 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("equals", Class.forName("java.lang.Object"));m3 = Class.forName("edu.aurelius.jvm.clazz.DynamicProxyTest$IHello").getMethod("sayHello");m2 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("toString");m0 = Class.forName("java.lang.Object").getMethod("hashCode");} catch (NoSuchMethodException var2) {throw new NoSuchMethodError(var2.getMessage());} catch (ClassNotFoundException var3) {throw new NoClassDefFoundError(var3.getMessage());}}
}

這里 super.h 是父類 Proxy 中保存的 InvocationHandler 對象（DynamicProxy 對象），統(tǒng)一調(diào)用 super.h 對象的 invoke() 方法來實現(xiàn)代理方法，讓 DynamicProxy 對象 的 invoke() 中插入的邏輯可以作用在所有被代理對象（new Hello() 實例化的對象）的方法上；

實際開發(fā)中以字節(jié)為單位拼接字節(jié)碼的應(yīng)用場景幾乎是很少見的，在需要大量操作字節(jié)碼時，建議使用封裝好的字節(jié)碼類庫（Javassist、GCLib、ASM）；

4. Backport 工具: Java 逆向移植

Java Backporting Tools，Java 逆向移植工具，如 Retrotranslator 和 Retrolambda；

• Retrotranslator，將 JDK 5 編譯出來的 Class 文件轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢栽?JDK 1.4 或 1.3 上部署的版本，從而支持自動裝箱、泛型、動態(tài)注解、枚舉、變長參數(shù)、遍歷循環(huán)、靜態(tài)導(dǎo)入、集合改進(jìn)、并發(fā)包、泛型與注解等的反射等語法特性；
• Retrolambda，將 JDK 8 的 Lambda 表達(dá)式、try-resources、接口默認(rèn)方法等語法轉(zhuǎn)換為在 JDK 5、6、7 部署環(huán)境上支持的形式；

JDK 升級新增功能分類

• 對 Java 類庫 API 增強；如 JDK 1.2 引入的 java.util.Collections 集合包，JDK 5 引入的 java.util.concurrent 并發(fā)包，JDK 7 引入的 java.lang.invoke 包；
• 對前端編譯層面做改進(jìn)，支持新的語法糖；如自動裝箱拆箱（編譯器自動對包裝對象使用 Integer.valueOf() 等代碼）、變成參數(shù)（編譯后自動轉(zhuǎn)化為數(shù)組）、泛型（編譯階段擦除泛型信息，在元數(shù)據(jù)中保存，編譯器自動插入類型轉(zhuǎn)換代碼）；
• 在字節(jié)碼中進(jìn)行支持的改動；如 JDK 7 引入的動態(tài)語言支持，在 JVM 中新增了 invokedynamic 字節(jié)碼指令；
• JDK 整體結(jié)構(gòu)層面的改進(jìn)；如 JDK 9 引入的 Java 模塊化系統(tǒng)，涉及 JDK 結(jié)構(gòu)、Java 語法、類加載和連接過程、JVM 等各個層面；
• JVM 內(nèi)部的改進(jìn)；如 JDK 5 定義的 Java 內(nèi)存模型（Java Memory Model，JMM），JDK 7、JDK 11、JDK 12 中新增的 G1、ZGC、Shenandoah 收集器等；這類改動對 Java 應(yīng)用程序是透明的，只會影響程序運行時；

逆向移植可以較好的模擬前 2 類升級，后 3 類則無能為力或影響運行效率；

對第 1 類升級的逆向移植可以通過獨立類庫代替 JDK 中部分功能的方式來實現(xiàn)；
對第 2 類升級需要使用 ASM 等字節(jié)碼操作工具對字節(jié)碼中元數(shù)據(jù)信息和一些語法支持的內(nèi)容做相應(yīng)修改；
對第 3 類升級則需要繞開字節(jié)碼指令，犧牲了性能；如 lambda 表達(dá)式的逆向支持，其實是生成了一組匿名內(nèi)部類代替 Lambda；IntelliJ IDEA 中將匿名內(nèi)部類顯示成 Lambda 表達(dá)式其實就是反向使用這個過程的效果；

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PS：感謝每一位志同道合者的閱讀，歡迎關(guān)注、評論、贊！

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參考資料：

• [1]《深入理解 Java 虛擬機》