Java中的四個核心技術思想

Java已經成為一個龐大而複雜的技術平台，對於開發人員而言，要想更好的掌握Java技術，深入理解底層的技術處理細節必不可少。對核心概念和思
想的掌握可以協助我們舉一反三、觸類旁通，有助於提升我們對整個Java平台的理解力。這裡所介紹的是Java技術平台的幾個核心概念，其中所蘊含的思想
有助於我們更深刻的理解Java技術。

　　Java虛擬機器

　　Java虛擬機器的主要任務是裝在class檔案並且執行其中的位元組碼。Java虛擬機器包含一個類裝載器，它可以從程式和API中裝載class檔案。Java API中只有程式執行時需要的那些類才會被裝載。位元組碼由執行引擎來執行。

　　不同的Java虛擬機器中，執行引擎可能實現得非常不同。在由軟體實現的虛擬機器中，最簡單的執行引擎就是一次性解釋位元組碼。另一種執行引擎更快，
但是也更消耗記憶體，叫做"即時編譯器(just-in-time
compiler)"。在這種情況下，第一次被執行的位元組碼會被編譯成本地機器代碼。編譯出的本地機器代碼會被緩衝，當方法以後被調用的時候可以重用。第
三種執行引擎是自適應最佳化器。在這種方法裡，虛擬機器開始的時候解釋位元組碼，但是會監視運行中程式的活動，並且記錄下使用最頻繁的程式碼片段。程式啟動並執行時候，
虛擬機器只把那些活動最頻繁的代碼編譯成本地代碼，其他的代碼由於使用得不是很頻繁，繼續保留為位元組碼-由虛擬機器繼續解釋它們。一個自適應的最佳化器可以使得
Java虛擬機器在80%~90%的時間裡執行被最佳化過的本地代碼，而只需要編譯10%~20%的對效能有影響的代碼。

　　當Java虛擬機器是由主機作業系統上的軟體實現的時候，Java程式通過調用本地方法(native
method)和主機互動。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，編譯成位元組碼檔案，儲存在class檔案中的。本地方法是由其他語言(比如c,c++或彙編
語言)編寫的，編譯成何處理器相關的機器代碼。本地方法儲存在動態連結程式庫中,格式是各個平台專有的。運行中Java程式調用本地方法時，虛擬機器裝載包含這
個本地方法的動態庫，並調用這個方法。本地方法是聯絡Java程式和底層主機作業系統的串連方法。

　　通過本地方法，Java程式可以直接存取底層作業系統的資源。一個本地方法介面(Java Native Interface, JNI)-使得本地方法可以在特定主機系統的任何一個Java平台實現上運行。

　　如果希望使用特定主機上的資源，它們又無法從Java API訪問，那麼可以寫一個平台相關的Java程式來調用本地方法。如果希望保證程式的平台無關性，那麼只能通過Java API來訪問底層系統資源。

　　類裝載器的體繫結構

　　一個Java應用程式可以使用兩種類裝載器："啟動(bootstrap)"類裝載器和使用者定義的類裝載器。啟動類裝載器(這是系統中唯一的)
是Java虛擬機器實現的一部分。啟動類裝載器通常使用某種預設從本地磁碟中裝載類，包括Java
API類(啟動類裝載器也被稱為原始類裝載器、系統類別裝載器或者預設類裝載器)。

　　Java應用程式能夠在運行時安裝使用者定義的類裝載器，這種類裝載器能夠使用自訂的方式來裝載類。例如，從網路下載class檔案。儘管啟動
類裝載器是虛擬機器實現的本質部分，而使用者定義的類裝載器不是，但使用者定義的類裝載器能夠用Java來編寫,能夠被編譯成class檔案，能夠被虛擬機器裝
載，還能夠像其它對象一樣執行個體化。

　　由於有使用者定義類裝載器，所以不必再編譯的時候就知道運行中的Java應用程式中最終會加入的所有的類。使用者定義的類裝載器使得在運行擴充
Java應用程式成為可能。當它運行時，應用程式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使用者定義的類裝載器來裝載。由於類裝載器是用
Java編寫的，所以用任何在Java代碼中可以表述的風格來進行類裝載。這些類可以通過網路下載，可以從某些資料庫中擷取，甚至可以動態產生。

　　每一個類被裝載的時候，Java虛擬機器都監視這個類，看到它到底是被啟動類裝載器還是被使用者定義類裝載器裝載。當被裝載的類引用了另外一個類
時，虛擬機器就會使用裝載第一個類的類裝載器裝載引用的類。例如，如果虛擬機器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。

　　由於Java虛擬機器採取這種方式進行類的裝載，所以被裝載的類預設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的體繫結構允許在一個Java應用程式中建立多個命名空間。運行時的Java程式中的每一個類裝載器都有自己的命名空間。

　　Java應用程式可以建立多少個(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，除非應用程式顯示地允許這麼
做。當編寫一個Java應用程式的時候，從不同源檔案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類裝載器的體繫結構來控制任
何不同源檔案中裝載的代碼之間的相互影響，特別是能夠阻止惡意代碼擷取訪問或破壞善意代碼的許可權。

　　Web瀏覽器是一個動態擴充的例子，Web瀏覽器使用使用者定義的類裝載器從網路下載用於Java
applet的class檔案。Web瀏覽器使用一個用來安裝使用者定義類裝載器的Java應用程式。這個使用者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伺服器請求class檔案。Java
Applet可以作為動態擴充的例子，因為Java應用程式並不知道它什麼時候會開始從網路下載瀏覽器請求的class檔案。只有當瀏覽器遇到有Java
applet的頁面時，才決定是否需要下載class檔案。

　　Web瀏覽器啟動的Java應用程式通常為每個提供class檔案的網路地址分別建立不同的使用者定義類裝載器，因此，不同的使用者定義類裝載器裝
載不同來源的class檔案。這就可以把它們分別放置在Java主應用程式的不同命名空間之下。由於不同來源的Java
applet檔案放置在不同的命名空間中，惡意的Java
applet代碼就不會直接存取從別的地方下載的class檔案。這就能夠限制或阻止不同來源的代碼之間的相互訪問。

 

Java class檔案

　　Java
class檔案主要在平台無關性和網路移動性方面使Java更適合網路。它在平台無關性方面的任務是：為Java程式提供獨立於底層主機平台的二進位形式
的服務。這種途徑途徑打破了C或者C++等語言所遵循的傳統，使用這些傳統語言寫的程式通常首先被編譯，然後被串連成單獨的、專門支援特定硬體平台和操作
系統的二進位檔案。通常情況下，一個平台上的二進位可執行檔不能在其他平台上工作。而Java class檔案時可以運行在任何支援Java虛擬機器的硬體平台和作業系統上的二進位檔案。

　　當編譯和串連一個C++程式時，所獲得的可執行二進位檔案只能在指定的硬體平台和作業系統上運行，因為這個二進位檔案包含了對目標處理器的機器語言。而Java編譯器把Java源檔案的指令翻譯成位元組碼，這種位元組碼就是Java虛擬機器的"機器語言"。

　　class檔案設計得緊湊，因此它們可以快速地在網路上傳送。其次，由於Java程式是動態串連和動態擴充的，class檔案可以在需要的時候
才下載。這個特點使得Java應用程式能夠安排從網路上下載class檔案的時間，從而可以最大限度地減少終端使用者的等待時間。

　　Java API

　　Java API通過支援平台無關性和安全性，使得Java適應於網路應用。Java
API是運行庫的集合，它提供了一套訪問主機系統資源的標準方法。運行Java程式時，虛擬機器裝載程式的class檔案所使用的Java API
class檔案。所有被裝載的class檔案(包括從應用程式中和從Java
API中提取的)和所有已經裝載的動態庫(包含本地方法)共同組成了再Java虛擬機器上啟動並執行整個程式。

　　在一個平台能偶支援Java程式以前，必須在這個特定平台上明確地實現API的功能。為訪問主機上的本地資源，Java
API調用了本地方法。由於Java API class檔案調用了本地方法，Java程式就不需要再調用它們了。通過這種方法，Java API
class檔案為底層主機提供了具有平台無關性、標準介面的Java程式。對Java程式而言，無論平台內部如何，Java
API都會有同樣的表現和可預測的行為。正是由於在每個特定的主機平台上明確地實現了Java虛擬機器和Java
API,因此，Java程式自身就能夠成為具有平台無關性的程式。

　　Java API在Java安全性模型方面也有貢獻。當Java API的方法進行任何有潛在危險的操作(比如進行本地磁碟寫操作)之前，都會通過查詢存取控制器來檢驗是否得到了授權。存取控制器是一個類，該類用來執行棧檢驗，已決定是否允許某種操作。