Java反射在JVM的實現

mouyee 9年前發布 | 14K 次閱讀 JVM Java開發

本文目錄

什么是Java反射，有什么用？
Java Class文件的結構
Java Class加載的過程
反射在native的實現
附錄

1. 什么是Java反射，有什么用？

反射使程序代碼能夠接入裝載到JVM中的類的內部信息，允許在編寫與執行時，而不是源代碼中選定的類協作的代碼，是以開發效率換運行效率的一種手段。這使反射成為構建靈活應用的主要工具。

反射可以：

調用一些私有方法，實現黑科技。比如雙卡短信發送、設置狀態欄顏色、自動掛電話等。
實現序列化與反序列化，比如PO的ORM，Json解析等。
實現跨平臺兼容，比如JDK中的SocketImpl的實現
通過xml或注解，實現依賴注入(DI)，注解處理，動態代理，單元測試等功能。比如Retrofit、Spring或者Dagger

2. Java Class文件的結構

在*.class文件中，以Byte流的形式進行Class的存儲，通過一系列Load，Parse后，Java代碼實際上可以映射為下圖的結構體，這里可以用 javap 命令或者IDE插件進行查看。

typedef struct {
    u4             magic;/*0xCAFEBABE*/
    u2             minor_version; /*網上有表可查*/
    u2             major_version; /*網上有表可查*/
    u2             constant_pool_count;
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];
    u2             access_flags;
    u2             this_class;
    u2             super_class;
    u2             interfaces_count;
    u2             interfaces[interfaces_count];
    //重要
    u2             fields_count;
    field_info     fields[fields_count];
    //重要
    u2             methods_count;
    method_info    methods[methods_count];
    u2             attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}ClassBlock;

常量池(constant pool):類似于C中的DATA段與BSS段，提供常量、字符串、方法名等值或者符號（可以看作偏移定值的指針）的存放

access_flags: 對Class的flag修飾

typedef enum {
      ACC_PUBLIC = 0x0001,
      ACC_FINAL = 0x0010,
      ACC_SUPER = 0x0020,
      ACC_INTERFACE = 0x0200,
      ACC_ACSTRACT = 0x0400
  }AccessFlag

this class/super class/interface: 一個長度為u2的指針，指向常量池中真正的地址，將在Link階段進行符號解引。

filed: 字段信息，結構體如下

typedef struct fieldblock {
     char *name;
     char *type;
     char *signature;
     u2 access_flags;
     u2 constant;
     union {
         union {
             char data[8];
             uintptr_t u;
             long long l;
             void *p;
             int i;
         } static_value; 
         u4 offset;
     } u;
  } FieldBlock;

method: 提供descriptor, access_flags, Code等索引，并指向常量池：

它的結構體如下，詳細在這里

method_info {
      u2             access_flags;
      u2             name_index;
      //the parameters that the method takes and the 
      //value that it return
      u2             descriptor_index;
      u2             attributes_count;
      attribute_info attributes[attributes_count];
  }

以上具體內容可以參考

JVM文檔
周志明的《深入理解Java虛擬機》，少見的國內精品書籍
一些國外教程的解析

3. Java Class加載的過程

Class的加載主要分為兩步

第一步通過ClassLoader進行讀取、連結操作
第二步進行Class的 <clinit>() 初始化。

3.1. Classloader加載過程

ClassLoader用于加載、連接、緩存Class，可以通過純Java或者native進行實現。在JVM的native代碼中，ClassLoader內部維護著一個線程安全的 HashTable<String,Class> ，用于實現對Class字節流解碼后的緩存，如果HashTable中已經有了緩存，則直接返回緩存；反之，在獲得類名后，通過讀取文件、網絡上的class字節流反序列化為JVM中native的C結構體，接著malloc內存，并將指針緩存在HashTable中。

下面是非數組情況下ClassLoader的流程

find/load: 將文件反序列化為C結構體。

Class反序列化的流程

link: 根據Class結構體常量池進行符號的解引。比如對象計算內存空間，創建方法表，native invoker，接口方法表，finalizer函數等工作。

3.2. 初始化過程

當ClassLoader加載Class結束后，將進行Class的初始化操作。主要執行 <clinit()> 的靜態代碼段與靜態變量（取決于源碼順序）。

public class Sample {
  //step.1
  static int b = 2;
  //step.2
  static {
    b = 3;
  }

  public static void main(String[] args) {
    Sample s = new Sample();
    System.out.println(s.b);
    //b=3
  }
}

具體參考如下：

在完成初始化后，就是Object的構造 <init> 了，本文暫不討論。

4. 反射在native的實現

反射在Java中可以直接調用，不過最終調用的仍是native方法，以下為主流反射操作的實現。

4.1. Class.forName的實現

Class.forName可以通過包名尋找Class對象，比如 Class.forName("java.lang.String") 。

在JDK的源碼實現中，可以發現最終調用的是native方法 forName0() ，它在JVM中調用的實際是 findClassFromClassLoader() ，原理與ClassLoader的流程一樣，具體實現已經在上面介紹過了。

4.2. getDeclaredFields的實現

在JDK源碼中，可以知道 class.getDeclaredFields() 方法實際調用的是native方法 getDeclaredFields0() ，它在JVM主要實現步驟如下

根據Class結構體信息，獲取 field_count 與 fields[] 字段，這個字段早已在load過程中被放入了
根據 field_count 的大小分配內存、創建數組
將數組進行forEach循環，通過 fields[] 中的信息依次創建Object對象
返回數組指針

主要慢在如下方面

創建、計算、分配數組對象
對字段進行循環賦值

4.3. Method.invoke的實現

以下為無同步、無異常的情況下調用的步驟

創建Frame
如果對象flag為native，交給native_handler進行處理
在frame中執行java代碼
彈出Frame
返回執行結果的指針

主要慢在如下方面

需要完全執行ByteCode而缺少JIT等優化
檢查參數非常多，這些本來可以在編譯器或者加載時完成

4.4. class.newInstance的實現

檢測權限、預分配空間大小等參數
創建Object對象，并分配空間
通過Method.invoke調用構造函數( <init>() )
返回Object指針

主要慢在如下方面

參數檢查不能優化或者遺漏
<init>() 的查表
Method.invoke本身耗時

5. 附錄

5.1. JVM與源碼閱讀工具的選擇

初次學習JVM時，不建議去看Android Art、Hotspot等重量級JVM的實現，它內部的防御代碼很多，還有android與libcore、bionic庫緊密耦合，以及分層、內聯甚至能把編譯器的語義分析繞進去，因此找一個教學用的、嵌入式小型的JVM有利于節約自己的時間。因為以前折騰過OpenWrt，聽過有大神推薦過 jamvm ，只有不到200個源文件，非常適合學習。

在工具的選擇上，個人推薦SourceInsight。對比了好幾個工具clion，vscode，sublime，sourceinsight，只有sourceinsight對索引、符號表的解析最準確。

5.2. 關于幾個ClassLoader

參考這里

ClassLoader0：native的classloader，在JVM中用C寫的，用于加載rt.jar的包，在Java中為空引用。

ExtClassLoader: 用于加載JDK中額外的包，一般不怎么用

AppClassLoader: 加載自己寫的或者引用的第三方包，這個最常見

例子如下

//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@4b67cf4d
//which class you create or jars from thirdParty
//第一個非常有歧義，但是它的確是AppClassLoader
ClassLoader.getSystemClassLoader();
com.test.App.getClass().getClassLoader();
Class.forName("ccom.test.App").getClassLoader()

//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@66d3c617
//Class loaded in ext jar
Class.forName("sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService")

//null, class loaded in rt.jar
String.class.getClassLoader()
Class.forName("java.lang.String").getClassLoader()
Class.forName("java.lang.Class").getClassLoader()
Class.forName("apple.launcher.JavaAppLauncher").getClassLoader()

最后就是 getContextClassLoader() ，它在Tomcat中使用，通過設置一個臨時變量，可以向子類ClassLoader去加載，而不是委托給ParentClassLoader

ClassLoader originalClassLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
try {
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(getClass().getClassLoader());
    // call some API that uses reflection without taking ClassLoader param
} finally {
    Thread.currentThread().setContextClassLoader(originalClassLoader);
}

最后還有一些自定義的ClassLoader，實現加密、壓縮、熱部署等功能，這個是大坑，晚點再開。

5.3. 反射是否慢？

在Stackoverflow上認為反射比較慢的程序員主要有如下看法

驗證等防御代碼過于繁瑣，這一步本來在link階段，現在卻在計算時進行驗證
產生很多臨時對象，造成GC與計算時間消耗
由于缺少上下文，丟失了很多運行時的優化，比如JIT(它可以看作JVM的重要評測標準之一)

當然，現代JVM也不是非常慢了，它能夠對反射代碼進行緩存以及通過方法計數器同樣實現JIT優化，所以反射不一定慢。

更重要的是，很多情況下，你自己的代碼才是限制程序的瓶頸。因此，在開發效率遠大于運行效率的的基礎上，大膽使用反射，放心開發吧。

參考文獻

來自：http://www.importnew.com/21211.html

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JVM Java開發

Java反射在JVM的實現

1. 什么是Java反射，有什么用？

2. Java Class文件的結構

3. Java Class加載的過程

4. 反射在native的實現

4.3. Method.invoke的實現

4.4. class.newInstance的實現

5. 附錄

5.1. JVM與源碼閱讀工具的選擇

5.2. 關于幾個ClassLoader

5.3. 反射是否慢？

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