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  Java深度理解——Java字节代码的操纵
  导读:Java作为业界应用较为广泛的语言之一,深得众多软件厂商和开发者的推崇,更是被包括Oracle在内的众多JCP成员积极地推动发展。但是对于 Java语言的深度理解和运用,毕竟是很少会有人涉及的话题。InfoQ中文站特地邀请IBM高级工程师成富为大家撰写这个《Java深度历险》专栏,旨在就Java的一些深度和高级特性分享他的经验。
  在一般的Java应用开发过程中,开发人员使用Java的方式比较简单。打开惯用的IDE,编写Java源代码,再利用IDE提供的功能直接运行 Java 程序就可以了。这种开发模式背后的过程是:开发人员编写的是Java源代码文件(.java),IDE会负责调用Java的编译器把Java源代码编译成平台无关的字节代码(byte code),以类文件的形式保存在磁盘上(.class)。Java虚拟机(JVM)会负责把Java字节代码加载并执行。Java*这种方式来实现其 “编写一次,到处运行(Write once, run anywhere)” 的目标。Java类文件中包含的字节代码可以被不同平台上的JVM所使用。Java字节代码不仅可以以文件形式存在于磁盘上,也可以*网络方式来下载,还可以只存在于内存中。JVM中的类加载器会负责从包含字节代码的字节数组(byte[])中定义出Java类。在某些情况下,可能会需要动态的生成 Java字节代码,或是对已有的Java字节代码进行修改。这个时候就需要用到本文中将要介绍的相关技术。首先介绍一下如何动态编译Java源文件。
  动态编译Java源文件
  在一般情况下,开发人员都是在程序运行之前就编写完成了全部的Java源代码并且成功编译。对有些应用来说,Java源代码的内容在运行时刻才能确定。这个时候就需要动态编译源代码来生成Java字节代码,再由JVM来加载执行。典型的场景是很多算法竞赛的在线评测系统(如PKU JudgeOnline),允许用户上传Java代码,由系统在后台编译、运行并进行判定。在动态编译Java源文件时,使用的做法是直接在程序中调用Java编译器。
  JSR 199引入了Java编译器API。如果使用JDK 6的话,可以*此API来动态编译Java代码。比如下面的代码用来动态编译较简单的Hello World类。该Java类的代码是保存在一个字符串中的。
  public class CompilerTest {
  public static void main(String[] args) throws Exception {
  String source = "public class Main { public static void main(String[] args) {System.out.println(\"Hello World!\");} }";
  JavaCompiler compiler = ToolProvider.getSystemJavaCompiler();
  StandardJavaFileManager fileManager = compiler.getStandardFileManager(null, null, null);
  StringSourceJavaObject sourceObject = new CompilerTest.StringSourceJavaObject("Main", source);
  Iterable< extends JavaFileObject> fileObjects = Arrays.asList(sourceObject);
  CompilationTask task = compiler.getTask(null, fileManager, null, null, null, fileObjects);
  boolean result = task.call();
  if (result) {
  System.out.println("编译成功。");
  }
  }
  static class StringSourceJavaObject extends SimpleJavaFileObject {
  private String content = null;
  public StringSourceJavaObject(String name, String content) ??throws URISyntaxException {
  super(URI.create("string:///" + name.replace('.','/') + Kind.SOURCE.extension), Kind.SOURCE);
  this.content = content;
  }
  public CharSequence getCharContent(boolean ignoreEncodingErrors) ??throws IOException {
  return content;
  }
  }
  }
  如果不能使用JDK 6提供的Java编译器API的话,可以使用JDK中的工具类com.sun.tools.javac.Main,不过该工具类只能编译存放在磁盘上的文件,类似于直接使用javac命令。
  另外一个可用的工具是Eclipse JDT Core提供的编译器。这是Eclipse Java开发环境使用的增量式Java编译器,支持运行和调试有错误的代码。该编译器也可以单独使用。Play框架在内部使用了JDT的编译器来动态编译Java源代码。在开发模式下,Play框架会定期扫描项目中的Java源代码文件,一旦发现有修改,会自动编译 Java源代码。因此在修改代码之后,刷新页面就可以看到变化。使用这些动态编译的方式的时候,需要确保JDK中的tools.jar在应用的 CLASSPATH中。
  下面介绍一个例子,是关于如何在Java里面做四则运算,比如求出来(3+4)*7-10的值。一般的做法是分析输入的运算表达式,自己来模拟计算过程。考虑到括号的存在和运算符的优先级等问题,这样的计算过程会比较复杂,而且容易出错。另外一种做法是可以用JSR 223引入的脚本语言支持,直接把输入的表达式当做JavaScript或是JavaFX脚本来执行,得到结果。下面的代码使用的做法是动态生成Java源代码并编译,接着加载Java类来执行并获取结果。这种做法完全使用Java来实现。
  private static double calculate(String expr) throws CalculationException  {
  String className = "CalculatorMain";
  String methodName = "calculate";
  String source = "public class " + className
  + " { public static double " + methodName + "() { return " + expr + "; } }";
  //省略动态编译Java源代码的相关代码,参见上一节
  boolean result = task.call();
  if (result) {
  ClassLoader loader = Calculator.class.getClassLoader();
  try {
  Class<?> clazz = loader.loadClass(className);
  Method method = clazz.getMethod(methodName, new Class<?>[] {});
  Object value = method.invoke(null, new Object[] {});
  return (Double) value;
  } catch (Exception e) {
  throw new CalculationException("内部错误。");
  }
  } else {
  throw new CalculationException("错误的表达式。");
  }
  }
  上面的代码给出了使用动态生成的Java字节代码的基本模式,即*类加载器来加载字节代码,创建Java类的对象的实例,再*Java反射API来调用对象中的方法。
  Java字节代码增强
  Java 字节代码增强指的是在Java字节代码生成之后,对其进行修改,增强其功能。这种做法相当于对应用程序的二进制文件进行修改。在很多Java框架中都可以见到这种实现方式。Java字节代码增强通常与Java源文件中的注解(annotation)一块使用。注解在Java源代码中声明了需要增强的行为及相关的元数据,由框架在运行时刻完成对字节代码的增强。Java字节代码增强应用的场景比较多,一般都集中在减少冗余代码和对开发人员屏蔽底层的实现细节上。用过JavaBeans的人可能对其中那些必须添加的getter/setter方法感到很繁琐,并且难以维护。而*字节代码增强,开发人员只需要声明Bean中的属性即可,getter/setter方法可以*修改字节代码来自动添加。用过JPA的人,在调试程序的时候,会发现实体类中被添加了一些额外的 域

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