手写JVM系列(3)-搜索class文件

本节的目的是根据-cp命令指定的class路径以及后面的ClassName,找到对应的class文件,然后简单的打印出该 class 文件的字节码.完整源码classpath包中

关于classpath

Java虚拟机规范并没有规定虚拟机应该从哪里寻找类，因此不同的虚拟机实现可以采用不同的方法。Oracle的Java虚拟机实现根据类路径（class path）来搜索类。按照搜索的先后顺序,类路径分为以下三部分:

• 启动类路径(bootstrap classpath):默认对应jre\lib目录，Java标准库(大部分在rt.jar里)位于该路径
• 扩展类路径(extension classpath):默认对应jre\lib\ext目录，使用Java扩展机制的类位于这个路径
• 用户类路径(user classpath):自己实现的类，以及第三方类库则位于用户类路径

这里特别说一下:用户类路径的默认值就是当前目录,这也是平时我们配置Java开发环境时,网上很多教程会说要添加一个classpath变量,并将其变量值设置为 . (表示当前路径),其实这个根本没有必要,因为虚拟机默认是在当前路径下寻找class文件的.所以在刚开始学习Java编程时,使用文本编辑器写代码,只需要配置一个JAVA_HOME即可,如果是用IDE,那么恐怕连JAVA_HOME都不需要,只要你安装了JDK,在IDE中配置其路径即可,至于classpath,都是由IDE的脚本自动写好的,不同的IDE有自己的路径,我们只需要在IDE中写好代码,点击运行即可.

我们这里编写的JVM是脱离IDE的,所以不能指望IDE来帮我们寻找路径,经过上面的分析,一个想法就是配置一个classpath的环境变量,将所有的class文件都丢到这个路径下,但是这样做并不灵活,更好的办法是给java命令传递-classpath（或简写为-cp）选项。-classpath/-cp选项的优先级更高，可以覆盖CLASSPATH环境变量。

java命令中的classpath 选项

-classpath/-cp选项既可以指定目录，也可以指定JAR文件或者ZIP文件

添加指向JDK启动类路径

Java虚拟机将使用JDK的启动类路径来寻找和加载Java标准库中的类，因此需要某种方式指定jre目录的位置。命令行选项是个不错的选择，所以增加一个非标准选-Xjre选项。但是这一选项并不是必须的，目前已经实现了读取JAVA_HOME来寻找启动类路径的功能，所以-Xjre选项是在没有配置JAVA_HOME环境变量的情况下，使用的。如果本地机器上有该环境变量，则无需指定-Xjre

注意这个选项的效果类似于-classpath,只不过这个选项是我们为了实现JVM自己添加的选项,并不是java自带的,其功能是指向**JDK启动类路径**,而-cp是指定用户类路径.

但是不管怎样,最终的结果都是根据其执行的路径和后面所跟的类名,找到对应的class文件

代码编写

搜索class文件所实现的功能源码都在项目的classpath包下.

使用场景

首先考虑一下在命令行使用时的可能的场景:

1. 直接指定路径,后面跟类名:java -cp aaa/bbb/ccc ddd arg1 arg2
2. 指定类所在的jar文件的路径,后面跟类名:java -cp aaa/bbb/ccc.jar ddd arg1 arg2
3. 指定一个模糊路径,后面跟类名:java -cp aaa/bbb/* ddd arg1 arg2
4. 指定若干个路径,后面跟类名(指定的类存在指定的某一条路径中,如果都存在那么以第一条为准):java -cp aaa1/bbb/ccc;aaa2/bbb/ccc;aaa3/bbb/ccc; ddd arg1 arg2

抽象类 Entry

public abstract class Entry {
    //路径分隔符,在window下,使用 ; 分割开的  在Unix/Linux下使用: 分割开的
    public static final String pathListSeparator = System.getProperty("os.name").contains("Windows") ? ";" : ":";

    /**
     * 负责寻找和加载class文件
     *
     * @param className class文件的相对路径，路径之间用斜线 / 分隔，文件名有.class后缀
     */
    abstract byte[] readClass(String className) throws IOException;

    /**
     * @return 返回className的字符串表示形式;
     */
    abstract String printClassName();

    /**
     * 工厂方法,根据传入的path的形式不同,
     * @param path 命令行得到的路径字符串
     * @return 创建具体的Entry
     */
    static Entry createEntry(String path) {
        if (path != null) {
            if (path.contains(pathListSeparator)) {
                return new CompositeEntry(path, pathListSeparator);
            } else if (path.contains("*")) {
                return new WildcardEntry("");
            } else if (path.contains(".jar") || path.contains(".JAR") || path.contains(".zip") || path.contains("" +
                    ".ZIP")) {

                return new ZipJarEntry(path);
            }
            return new DirEntry(path);
        }
        return null;
    }

}

具体实现类

• DirEntry
• ZipJarEntry
• WildcardEntry
• CompositeEntry

这四个类是Entry的具体实现类,分别对应使用场景中的四种情况,下面会分析四种情况所要解决的问题,这里只贴出DirEntry的代码,先于篇幅原因,其它三种情况的具体实现,请查看本项目源码

DirEntry

这应该是最简单的一种使用场景了,构造方法中传入的字符串表示目录形式的类路径,这里拿到的直接就是指定的路径,那么先判断该路径是否存在,如果存在,那么和className拼接起来,使用IO流读取其中的字节码,并返回.

public class DirEntry extends Entry {
    String absDir;

    public DirEntry(String path) {
        File dir = new File(path);
        if (dir.exists()) {
            absDir = dir.getAbsolutePath();
        }
    }

    @Override
    byte[] readClass(String className) throws IOException {
        File file = new File(absDir, className);
        byte[] temp = new byte[1024];
        BufferedInputStream in = null;
        ByteArrayOutputStream out = null;

        in = new BufferedInputStream(new FileInputStream(file));
        out = new ByteArrayOutputStream(1024);
        int size = 0;
        while ((size = in.read(temp)) != -1) {
            out.write(temp, 0, size);
        }
        if (in != null) {
            in.close();
        }
        if (out != null) {
            out.close();
        }
        return out.toByteArray();
    }


    @Override
    String printClassName() {
        return absDir;
    }
}

ZipJarEntry

这种使用场景是指定了一个zip文件或者jar包的情况,那么需要解决的问题是如何拿到压缩文件中的文件,这里主要使用了java.util.zip包下的类来拿到文件,使用zipFile来读取文件和读取普通的文件夹类似,这里只管把zip文件当成文件夹就好

这里有一点要注意的是:

如果是zip文件,在获取ZipEntry的时候ZipEntry ze = zipFile.getEntry(zipName + "/" + className)

如果是jar包,在获取ZipEntry的时候,ZipEntry ze = zipFile.getEntry(className)

WildcardEntry

这种使用场景是指定了一个形如aa/bb/*的路径,这种路径表明我们的class文件在aa/bb/路径下的jar包中,所以我们只要遍历该路径下的所有以.jar结尾的文件,然后调用ZipJarEntry的实现方法,即可以获得字节码.

CompositeEntry

这种使用场景是包含多个路径的情况,(eg:a1/b1/c1;a2/b2/c2;a3/b3/c3),那么遇到这种情况,需要将字符串分割成不同的子串,注意分割符在不同的系统下是不同的,这里仅仅实现windows,其它情况下视为unix

public static final String pathListSeparator = System.getProperty("os.name").contains("Windows") ? ";" : ":";

当然分成的子串分别对应一个DirEntry,再调用DirEntry的方法来获取字节码.

classpath对外的统一使用接口

上面我们已经实现了对于 classpath 路径的解析,这里在进行一步封装,提供一个对外的统一接口.

public class ClassPath {
    //分别存放三种类路径
    Entry bootClasspath;
    Entry extClasspath;
    Entry userClasspath;

    //parse()函数使用 -Xjre 选项解析启动类路径和扩展类路径
    // 使用-classpath/-cp选项解析用户类路径

    public ClassPath(String jreOption, String cpOption) {
        parseBootAndExtClasspath(jreOption);
        parseUserClasspath(cpOption);
    }


    //这里参数传进来的是: C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_20\jre
    void parseBootAndExtClasspath(String jreOption) {
        String jreDir = getJreDir(jreOption);

        //可能出现的情况是: jre/lib/*
        String jreLibPath = jreDir + File.separator + "lib" + File.separator + "*";
        bootClasspath = new WildcardEntry(jreLibPath);

        //可能出现的情况是: jre/lib/ext/*
        String jreExtPath = jreDir + File.separator + "lib" + File.separator + "ext" + File.separator + "*";
        extClasspath = new WildcardEntry(jreExtPath);
    }

    String getJreDir(String jreOption) {
        File jreFile;
        if (jreOption != null && jreOption != "") {
            jreFile = new File(jreOption);
            if (jreFile.exists()) {
                return jreOption;
            }
        }

        jreFile = new File("jre");
        if (jreFile.exists()) {
            return jreFile.getAbsolutePath();
        }

        String java_home = System.getenv("JAVA_HOME");
        if (java_home != null) {
            return java_home + File.separator + "jre";
        }

        throw new RuntimeException("Can not find jre folder!");
    }

    void parseUserClasspath(String cpOption) {
        userClasspath = Entry.createEntry(cpOption);
    }

    public byte[] readClass(String className) {
        className = className + ".class";
        byte[] data;
        try {
            data = bootClasspath.readClass(className);
            if (data != null) {
                return data;
            }

            data = extClasspath.readClass(className);
            if (data != null) {
                return data;
            }

            data = userClasspath.readClass(className);
            if (data != null) {
                return data;
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        throw new RuntimeException("can't find class!");
    }

    @Override
    public String toString() {
        return userClasspath.printClassName();
    }
}

构造方法:传入解析到的 -Xjre来的路径和-cp的路径,当然在Cmd类中,这两个路径的初始值都是空字符串,而不是null,然后根据二者的值进行解析

之前也说过寻找 class 文件是由优先级的,依次是:bootClasspath-> extClasspath -> userClasspath那么我们怎么实现这个加载顺序呢?

首先:在Cmd类中,这两个路径的初始值是:

String XjreOption = "";
String cpOption = "";

这里优先使用用户输入的 -Xjre 选项作为 jre 目录。如果没有输入该选项，则在当前目录下寻找 jre 目录。如果找不到，尝试使用 JAVA_HOME 环境变量。最终返回bootClasspath和extClasspath.

然后再根据 -cp的值得到一个userClasspath,然后再根据这三个Entry的顺序来加载类文件,一旦加载到,直接返回。

最终,使用readClass()方法就可以返回我们要加载的类文件字节数组。