Erweiterte Java Programmierung - - dynamisches Laden -

Erweiterte
Java Programmierung
Malte Gräper
dynamisches
Laden
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Plugin
JAR-Datei
ClassLoader
Class-FileFormat
Erweiterte Java Programmierung
- dynamisches Laden Malte Gräper
Fachbereich Technik
Department Elektrotechnik und Informatik
21. Juni 2012
Malte Gräper
Erweiterte Java Programmierung
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Plugins dynamisch Laden
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Code kann von mehreren Programmen genutzt werden
=> kleinere Programme
einzelne “Teile“ eines Programms können getauscht werden
die Funktionalität kann erweitert werden
spezielle Funktionen je nach Platform/Infrastruktur
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Win/Linux Bibliotheken
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andere Programmiersprachen erlauben dies auch z.B.
C/C++
dynamisches
Laden
bei Win sind dies DLLs
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=> integraler Bestandteil des BS
Linux nutzt auch Bibliotheken bzw. libraries (dynamisch
*.so, statisch *.a)
DLL/libs sind jedoch nicht ausführbar
=> statische/dynamische Bibliotheken voneinander
getrennt
Java ist (etwas) anders
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Klassen in Java
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ClassLoader
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jede Klasse (im Source-Code) wird in eine separate
Class-File übersetzt
Class-File enthält alle wichtigen Informationen
Basis-Klassen
Methoden
Attribute (Felder)
uvm...
jede Klasse ist (theoretisch) ausführbar, dynamisch oder
statisch ladbar
damit vereint eine Java-Klasse alle 3 Eigenschaften
damit auf eine Klasse zugegriffen werden kann muss diese
geladen sein
egal ob statisch dynamisch
daher gibt es ClassLoader- Konzept in Java
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Plugins in Java
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jedes Plugin ist eine Klasse, die dynamisch geladen werden
kann
daher kennt der Compiler die Klassen nicht
Problem: Klassen können nicht “normal“ erzeugt werden
=> Methoden, Felder, etc unbekannt
Ursache: der Compiler löst Namen zur Compile-Time auf
(übersetzt in Index) z.B. Methoden
Zugriff über Reflection-API möglich
deshalb: Schnittstelle(n) definieren welche alle Plugins
unterstützen
somit weiß der Compiler welche Funktionen etc auf jeden
Fall unterstützt werden
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Beispiel I
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einfaches Beispiel zum Laden von einer Klasse
dafür URLClassLoader verwendet
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JAR-Datei
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Bibliothek-Format von Java
dynamisches
Laden
enthält (mehrere) Class-Files, auch weitere Resourcen
möglich
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Vorteil: alle Klassen u Daten zusammen
mit Resource Manifest auch ausführbar
effektiv ein Zip-Archiv
nicht vorgeschriebenes Format => auch andere (selbst
definierte) möglich
Java stellt API zur Verfügung
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JAR-API
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kapselt Zip-Archiv => ZipInputStream/ZipOutputStream
jede Datei/Ordner über ZipEntry repräsentiert
Dateien können über getNextEntry durchlaufen werden
(ähnlich Iterator)
Zugriff auf Daten über Stream
Wichtig: Längenangabe im ZipEntry nicht immer korrekt
(-1)
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Der Classloader I
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in Java sind alle Klassen immer dynamisch geladen (selbst
statische, anders als bei C/C++)
Aufgabe ist dass Bereitstellen der Klassendaten (egal aus
welcher Quelle)
das eigentliche erzeugen der Klasse läuft über defineClass
diese Funktion ist final u Teil der JVM
jede Klassen wird über ClassLoader geladen und ist mit
diesem verbunden
ClassLoader integraler Bestandteil von Java
Bootstrap-Loader bzw. dessen parent Teil der JVM
für Anwender jedoch transparent
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Der Classloader I
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hierarchisch aufgebaut
somit kapselt ClassLoader Sichtbarkeit von Klassen
Grafik: http://media.developeriq.in
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Der Classloader II
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3 Phasen
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Laden => physikalische bereitstellen der Daten
Linken
Bytecode überprüfen => Konsistenz, schadhafter Code
(Viren?), etc)
Vorbereiten
Auflösen der Abhängigkeiten (laden der Basis-Klassen etc)
Initialisieren, statische Felder, Ctor etc
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Der Classloader II
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Grafik: http://www.techjava.de
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Ein eigener ClassLoader
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erbt von der Basis-Klasse ClassLoader
dynamisches
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muss in Hierarchie eingebunden werden =>
parent-ClassLoader
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findClass(String name)
überschreiben, bereitstellen der Klassendaten
wenn gesuchte Klasse unbekannt => an parent delegieren
protected loadClass(String name,boolean resolve)
evtl. überschreiben, finden der Klasse => Cache notwendig
Klasse nicht mehrfach definieren daher Cache
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Beispiel II
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MyClassLoader-Klasse implementiert eigenen ClassLoader
nur findClass-Funktion überschrieben
nutzt Zip-API zum Einlesen von JAR-Dateien und entpackt
diese in RAM
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ClassLoader Probleme/Möglichkeiten
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eigene ClassLoader nicht ganz ungefährlich
theoretisch kann z.B. String-Klasse ersetzt werden
daher eigene ClassLoader nicht immer möglich (manche
Web-Applets)
Klassen können mehrfach geladen werden (aber nicht über
selben ClassLoader)
das kann gewollt sein (z.B. self-modifying-code)
aber möglicherweise Versions-Probleme
Wichtig: trotz gleichem Name => Klassen nicht identisch
viele Andere Probleme möglich
z.B. wenn Klasse mehrfach über verschiedene ClassLoader
erzeugt
Vergleiche wie Obj instanceof A nicht mehr korrekt
Fazit: viele Möglichkeiten => aber vorsichtig
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Beispiel III
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MyClassLoader2 enthält MyClassLoader (nicht erben)
wenn JAR-Datei erneut geladen wird, neuer MyClassLoader
erzeugt
somit kann auch veränderte Klasse erneut geladen werden
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Java Class File Format
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Java Standart spezifiziert Klassen Format
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Grafik: http://img.viralpatel.net
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Java Class File Format
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Information über Klasse z.B. Zugriffsrechte, Basis-Klasse
etc
alle Interfaces (von denen die Klasse erbt)
die implementierten Methoden (z.B. <init> für Ctor)
die Felder einer Klasse mit Name u weiteren Eigenschaften
Attribute für die gesamte Klasse (z.B. SourceCode zur
Unterstützung bei debugging)
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Java Class File Format
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dynamisches
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Kern ist Constant Pool
hier werden alle Daten wie Konstanten, String aber auch
Typinformationen etc abgelegt
in der restlichen Datei werden diese Einträge nur über
Index referenziert
Vorteil: Daten müssen nicht mehrfach gespeichert werden
nach Laden der Klasse => Constant Pool im Speicher
zugreifbar
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Java Class File Format
Erweiterte
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Grafik: http://img.viralpatel.net
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Was kann man noch machen
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vor dem Laden Interfaces, Methoden oder Attribute
überprüfen/hinzufügen
self-modifying-code
synthetisch zur Laufzeit generierte Java-Klassen laden
dafür gibt es bereits Bibliotheken BCEL, ASM
selber schreiben => sehr aufwendig, komplex
komplette Programmiersprache auf Java Bytecode abbilden
(JRuby, Groovy)
sehr viele Möglichkeiten (wenn auch nicht alle sinnvoll)
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Beispiel IV
Erweiterte
Java Programmierung
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MyClassLoader3 erweitert MyClassLoader
dynamisches
Laden
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keine Möglichkeit zum Mehrfach-Laden
jedoch wird das Class-File-Format eingelesen
es kann z.B. vor dem Laden überprüft werden ob Interface
vorhanden
umbenennen von Funktionen (führt evtl. zu Fehlern)
ändern der Klassen-Zugriffsrechte
z.B. hinzufügen einer statischen Member-Variable wenn
nicht vorhanden
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