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Java培訓(xùn)之Java的四個核心技術(shù)思想

更新時間:2016年09月26日09時51分 來源:傳智播客Java培訓(xùn)學(xué)院 瀏覽次數(shù):

對Java核心概念和思想的掌握有助于提升我們對整個Java平臺的理解力。這里將介紹四個Java中的核心技術(shù)思想，包括Java虛擬機(jī)、類裝載器的體系結(jié)構(gòu)、class文件和Java API。 
Java已經(jīng)成為一個龐大而復(fù)雜的技術(shù)平臺，對于開發(fā)人員而言，要想更好的掌握J(rèn)ava技術(shù)，深入理解底層的技術(shù)處理細(xì)節(jié)必不可少。對核心概念和思想的掌握可以幫助我們舉一反三、觸類旁通，有助于提升我們對整個Java平臺的理解力。這里所介紹的是Java技術(shù)平臺的幾個核心概念，其中所蘊含的思想有助于我們更深刻的理解Java技術(shù)。 
1. Java虛擬機(jī) 
Java虛擬機(jī)的主要任務(wù)是裝載class文件并且執(zhí)行其中的字節(jié)碼。Java虛擬機(jī)包含一個類裝載器，它可以從程序和API中裝載class文件。Java API中只有程序執(zhí)行時需要的那些類才會被裝載。字節(jié)碼由執(zhí)行引擎來執(zhí)行。 
不同的Java虛擬機(jī)中，執(zhí)行引擎可能實現(xiàn)得非常不同。在由軟件實現(xiàn)的虛擬機(jī)中，最簡單的執(zhí)行引擎就是一次性解釋字節(jié)碼。另一種執(zhí)行引擎更快，但是也更消耗內(nèi)存，叫做"即時編譯器(just-in-time compiler)"。在這種情況下，第一次被執(zhí)行的字節(jié)碼會被編譯成本地機(jī)器代碼。編譯出的本地機(jī)器代碼會被緩存，當(dāng)方法以后被調(diào)用的時候可以重用。第三種執(zhí)行引擎是自適應(yīng)優(yōu)化器。在這種方法里，虛擬機(jī)開始的時候解釋字節(jié)碼，但是會監(jiān)視運行中程序的活動，并且記錄下使用最頻繁的代碼段。程序運行的時候，虛擬機(jī)只把那些活動最頻繁的代碼編譯成本地代碼，其他的代碼由于使用得不是很頻繁，繼續(xù)保留為字節(jié)碼-由虛擬機(jī)繼續(xù)解釋它們。一個自適應(yīng)的優(yōu)化器可以使得Java虛擬機(jī)在80%~90%的時間里執(zhí)行被優(yōu)化過的本地代碼，而只需要編譯10%~20%的對性能有影響的代碼。 
當(dāng)Java虛擬機(jī)是由主機(jī)操作系統(tǒng)上的軟件實現(xiàn)的時候，Java程序通過調(diào)用本地方法(native method)和主機(jī)交互。Java中有兩種方法: Java方法和本地方法。Java方法是由Java語言編寫，編譯成字節(jié)碼文件，存儲在class文件中的。本地方法是由其他語言(比如C、C++或匯編語言)編寫的，編譯成何處理器相關(guān)的機(jī)器代碼。本地方法保存在動態(tài)鏈接庫中,格式是各個平臺專有的。運行中Java程序調(diào)用本地方法時，虛擬機(jī)裝載包含這個本地方法的動態(tài)庫，并調(diào)用這個方法。本地方法是聯(lián)系Java程序和底層主機(jī)操作系統(tǒng)的連接方法。 
通過本地方法，Java程序可以直接訪問底層操作系統(tǒng)的資源。一個本地方法接口(Java Native Interface, JNI)-使得本地方法可以在特定主機(jī)系統(tǒng)的任何一個Java平臺實現(xiàn)上運行。 
如果希望使用特定主機(jī)上的資源，它們又無法從Java API訪問，那么可以寫一個平臺相關(guān)的Java程序來調(diào)用本地方法。如果希望保證程序的平臺無關(guān)性，那么只能通過Java API來訪問底層系統(tǒng)資源。 
2. 類裝載器的體系結(jié)構(gòu) 
一個Java應(yīng)用程序可以使用兩種類裝載器："啟動(bootstrap)"類裝載器和用戶定義的類裝載器。啟動類裝載器(這是系統(tǒng)中唯一的)是Java虛擬機(jī)實現(xiàn)的一部分。啟動類裝載器通常使用某種默認(rèn)方式從本地磁盤中裝載類，包括Java API類(啟動類裝載器也被稱為原始類裝載器、系統(tǒng)類裝載器或者默認(rèn)類裝載器)。 
Java應(yīng)用程序能夠在運行時安裝用戶定義的類裝載器，這種類裝載器能夠使用自定義的方式來裝載類。例如，從網(wǎng)絡(luò)下載class文件。盡管啟動類裝載器是虛擬機(jī)實現(xiàn)的本質(zhì)部分，而用戶定義的類裝載器不是，但用戶定義的類裝載器能夠用Java來編寫,能夠被編譯成class文件，能夠被虛擬機(jī)裝載，還能夠像其它對象一樣實例化。 
由于有用戶定義類裝載器，所以不必再編譯的時候就知道運行中的Java應(yīng)用程序中最終會加入的所有的類。用戶定義的類裝載器使得在運行擴(kuò)展Java應(yīng)用程序成為可能。當(dāng)它運行時，應(yīng)用程序能夠解決它需要哪些額外的類，能夠決定是使用一個或是更多的用戶定義的類裝載器來裝載。由于類裝載器是用Java編寫的，所以用任何在Java代碼中可以表述的風(fēng)格來進(jìn)行類裝載。這些類可以通過網(wǎng)絡(luò)下載，可以從某些數(shù)據(jù)庫中獲取，甚至可以動態(tài)生成。 
每一個類被裝載的時候，Java虛擬機(jī)都監(jiān)視這個類，看到它到底是被啟動類裝載器還是被用戶定義類裝載器裝載。當(dāng)被裝載的類引用了另外一個類時，虛擬機(jī)就會使用裝載第一個類的類裝載器裝載引用的類。例如，如果虛擬機(jī)使用一個特定的類裝載器裝載Volcano這個類，它就會使用這個類裝載器裝載Volcano類使用的所有類。 
由于Java虛擬機(jī)采取這種方式進(jìn)行類的裝載，所以被裝載的類默認(rèn)情況下只能看到被同一個類裝載器裝載的別的類。通過這種方法，Java的體系結(jié)構(gòu)允許在一個Java應(yīng)用程序中建立多個命名空間。運行時的Java程序中的每一個類裝載器都有自己的命名空間。 
Java應(yīng)用程序可以創(chuàng)建多少個(或多少種)被不同的類裝載器裝載的類存放在不同的命名空間中，它們不能相互訪問，除非應(yīng)用程序顯示地允許這么做。當(dāng)編寫一個Java應(yīng)用程序的時候，從不同源文件裝載的類可以分隔在不同的命名空間中。通過這種方法，就能夠使用Java類裝載器的體系結(jié)構(gòu)來控制任何不同源文件中裝載的代碼之間的相互影響，特別是能夠阻止惡意代碼獲取訪問或破壞善意代碼的權(quán)限。 
Web瀏覽器是一個動態(tài)擴(kuò)展的例子，Web瀏覽器使用用戶定義的類裝載器從網(wǎng)絡(luò)下載用于Java applet的class文件。Web瀏覽器使用一個用來安裝用戶定義類裝載器的Java應(yīng)用程序。這個用戶定義的類裝載器通常被稱為Java Applet類裝載器，它知道如何向HTTP服務(wù)器請求class文件。Java Applet可以作為動態(tài)擴(kuò)展的例子，因為Java應(yīng)用程序并不知道它什么時候會開始從網(wǎng)絡(luò)下載瀏覽器請求的class文件。只有當(dāng)瀏覽器遇到有Java applet的頁面時，才決定是否需要下載class文件。 
Web瀏覽器啟動的Java應(yīng)用程序通常為每個提供class文件的網(wǎng)絡(luò)地址分別創(chuàng)建不同的用戶定義類裝載器，因此，不同的用戶定義類裝載器裝載不同來源的class文件。這就可以把它們分別放置在Java主機(jī)應(yīng)用程序的不同命名空間之下。由于不同來源的Java applet文件放置在不同的命名空間中，惡意的Java applet代碼就不會直接訪問從別的地方下載的class文件。這就能夠限制或阻止不同來源的代碼之間的相互訪問。 
3. Java class文件 
 Java class文件主要在平臺無關(guān)性和網(wǎng)絡(luò)移動性方面使Java更適合網(wǎng)絡(luò)。它在平臺無關(guān)性方面的任務(wù)是：為Java程序提供獨立于底層主機(jī)平臺的二進(jìn)制形式的服務(wù)。這種途徑打破了C或者C++等語言所遵循的傳統(tǒng)，使用這些傳統(tǒng)語言寫的程序通常首先被編譯，然后被連接成單獨的、專門支持特定硬件平臺和操作系統(tǒng)的二進(jìn)制文件。通常情況下，一個平臺上的二進(jìn)制可執(zhí)行文件不能在其他平臺上工作。而Java class文件時可以運行在任何支持Java虛擬機(jī)的硬件平臺和操作系統(tǒng)上的二進(jìn)制文件。 
當(dāng)編譯和連接一個C++程序時，所獲得的可執(zhí)行二進(jìn)制文件只能在指定的硬件平臺和操作系統(tǒng)上運行，因為這個二進(jìn)制文件包含了對目標(biāo)處理器的機(jī)器語言。而Java編譯器把Java源文件的指令翻譯成字節(jié)碼，這種字節(jié)碼就是Java虛擬機(jī)的"機(jī)器語言"。 
class文件設(shè)計得緊湊，因此它們可以快速地在網(wǎng)絡(luò)上傳送。其次，由于Java程序是動態(tài)連接和動態(tài)擴(kuò)展的，class文件可以在需要的時候才下載。這個特點使得Java應(yīng)用程序能夠安排從網(wǎng)絡(luò)上下載class文件的時間，從而可以最大限度地減少終端用戶的等待時間。 
4. Java API 
Java API通過支持平臺無關(guān)性和安全性，使得Java適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。Java API是運行庫的集合，它提供了一套訪問主機(jī)系統(tǒng)資源的標(biāo)準(zhǔn)方法。運行Java程序時，虛擬機(jī)裝載程序的class文件所使用的Java API class文件。所有被裝載的class文件(包括從應(yīng)用程序中和從Java API中提取的)和所有已經(jīng)裝載的動態(tài)庫(包含本地方法)共同組成了在Java虛擬機(jī)上運行的整個程序。 
在一個平臺能支持Java程序以前，必須在這個特定平臺上明確地實現(xiàn)API的功能。為訪問主機(jī)上的本地資源，Java API調(diào)用了本地方法。由于Java API class文件調(diào)用了本地方法，Java程序就不需要再調(diào)用它們了。通過這種方法，Java API class文件為底層主機(jī)提供了具有平臺無關(guān)性、標(biāo)準(zhǔn)接口的Java程序。對Java程序而言，無論平臺內(nèi)部如何，Java API都會有同樣的表現(xiàn)和可預(yù)測的行為。正是由于在每個特定的主機(jī)平臺上明確地實現(xiàn)了Java虛擬機(jī)和Java API,因此，Java程序自身就能夠成為具有平臺無關(guān)性的程序。 
Java API在Java安全性模型方面也有貢獻(xiàn)。當(dāng)Java API的方法進(jìn)行任何有潛在危險的操作(比如進(jìn)行本地磁盤寫操作)之前，都會通過查詢訪問控制器來檢驗是否得到了授權(quán)。訪問控制器是一個類，該類用來執(zhí)行棧檢驗，已決定是否允許某種操作。

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作者：傳智播客Java培訓(xùn)學(xué)院
首發(fā)：http://xamj520.com/javaee
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