Java反射在JVM的实现

本文目录

1. 什么是Java反射，有什么用？
2. Java Class文件的结构
3. Java Class加载的过程
4. 反射在native的实现
5. 附录

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1. 什么是Java反射，有什么用？

反射使程序代码能够接入装载到JVM中的类的内部信息，允许在编写与执行时，而不是源代码中选定的类协作的代码，是以开发效率换运行效率的一种手段。这使反射成为构建灵活应用的主要工具。

反射可以：

1. 调用一些私有方法，实现黑科技。比如双卡短信发送、设置状态栏颜色、自动挂电话等。
2. 实现序列化与反序列化，比如PO的ORM，Json解析等。
3. 实现跨平台兼容，比如JDK中的SocketImpl的实现
4. 通过xml或注解，实现依赖注入(DI)，注解处理，动态代理，单元测试等功能。比如Retrofit、Spring或者Dagger

2. Java Class文件的结构

在*.class文件中，以Byte流的形式进行Class的存储，通过一系列Load，Parse后，Java代码实际上可以映射为下图的结构体，这里可以用javap命令或者IDE插件进行查看。

typedef struct {
    u4             magic; /*0xCAFEBABE*/
    u2             minor_version; /*网上有表可查*/
    u2             major_version; /*网上有表可查*/
    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):类似于C中的DATA段与BSS段，提供常量、字符串、方法名等值或者符号（可以看作偏移定值的指针）的存放
• access_flags: 对Class的flag修饰

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

• this class/super class/interface: 一个长度为u2的指针，指向常量池中真正的地址，将在Link阶段进行符号解引。

• filed: 字段信息，结构体如下

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：

它的结构体如下，详细在这里

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];
 }

以上具体内容可以参考

1. JVM文档
2. 周志明的《深入理解Java虚拟机》，少见的国内精品书籍
3. 一些国外教程的解析

3. Java Class加载的过程

Class的加载主要分为两步

• 第一步通过ClassLoader进行读取、连结操作
• 第二步进行Class的()初始化。

3.1. Classloader加载过程

ClassLoader用于加载、连接、缓存Class，可以通过纯Java或者native进行实现。在JVM的native代码中，ClassLoader内部维护着一个线程安全的HashTable，用于实现对Class字节流解码后的缓存，如果HashTable中已经有了缓存，则直接返回缓存；反之，在获得类名后，通过读取文件、网络上的class字节流反序列化为JVM中native的C结构体，接着malloc内存，并将指针缓存在HashTable中。

下面是非数组情况下ClassLoader的流程

• find/load: 将文件反序列化为C结构体。

Class反序列化的流程

• link: 根据Class结构体常量池进行符号的解引。比如对象计算内存空间，创建方法表，native invoker，接口方法表，finalizer函数等工作。

3.2. 初始化过程

当ClassLoader加载Class结束后，将进行Class的初始化操作。主要执行的静态代码段与静态变量（取决于源码顺序）。

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
  }
}

具体参考如下：

• When and how a Java class is loaded and initialized?
• The Lifetime of a Type

在完成初始化后，就是Object的构造了，本文暂不讨论。

4. 反射在native的实现

反射在Java中可以直接调用，不过最终调用的仍是native方法，以下为主流反射操作的实现。

4.1. Class.forName的实现

Class.forName可以通过包名寻找Class对象，比如Class.forName("java.lang.String")。
在JDK的源码实现中，可以发现最终调用的是native方法forName0()，它在JVM中调用的实际是findClassFromClassLoader()，原理与ClassLoader的流程一样，具体实现已经在上面介绍过了。

4.2. getDeclaredFields的实现

在JDK源码中，可以知道class.getDeclaredFields()方法实际调用的是native方法getDeclaredFields0()，它在JVM主要实现步骤如下

1. 根据Class结构体信息，获取field_count与fields[]字段，这个字段早已在load过程中被放入了
2. 根据field_count的大小分配内存、创建数组
3. 将数组进行forEach循环，通过fields[]中的信息依次创建Object对象
4. 返回数组指针

主要慢在如下方面

1. 创建、计算、分配数组对象
2. 对字段进行循环赋值

4.3. Method.invoke的实现

以下为无同步、无异常的情况下调用的步骤

1. 创建Frame
2. 如果对象flag为native，交给native_handler进行处理
3. 在frame中执行java代码
4. 弹出Frame
5. 返回执行结果的指针

主要慢在如下方面

1. 需要完全执行ByteCode而缺少JIT等优化
2. 检查参数非常多，这些本来可以在编译器或者加载时完成

4.4. class.newInstance的实现

1. 检测权限、预分配空间大小等参数
2. 创建Object对象，并分配空间
3. 通过Method.invoke调用构造函数(())
4. 返回Object指针

主要慢在如下方面

1. 参数检查不能优化或者遗漏
2. ()的查表
3. Method.invoke本身耗时

5. 附录

5.1. JVM与源码阅读工具的选择

初次学习JVM时，不建议去看Android Art、Hotspot等重量级JVM的实现，它内部的防御代码很多，还有android与libcore、bionic库紧密耦合，以及分层、内联甚至能把编译器的语义分析绕进去，因此找一个教学用的、嵌入式小型的JVM有利于节约自己的时间。因为以前折腾过OpenWrt，听过有大神推荐过jamvm，只有不到200个源文件，非常适合学习。

在工具的选择上，个人推荐SourceInsight。对比了好几个工具clion，vscode，sublime，sourceinsight，只有sourceinsight对索引、符号表的解析最准确。

5.2. 关于几个ClassLoader

参考这里

ClassLoader0：native的classloader，在JVM中用C写的，用于加载rt.jar的包，在Java中为空引用。

ExtClassLoader: 用于加载JDK中额外的包，一般不怎么用

AppClassLoader: 加载自己写的或者引用的第三方包，这个最常见

例子如下

//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@4b67cf4d
//which class you create or jars from thirdParty
//第一个非常有歧义，但是它的确是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，通过设置一个临时变量，可以向子类ClassLoader去加载，而不是委托给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);
}

最后还有一些自定义的ClassLoader，实现加密、压缩、热部署等功能，这个是大坑，晚点再开。

5.3. 反射是否慢？

在Stackoverflow上认为反射比较慢的程序员主要有如下看法

1. 验证等防御代码过于繁琐，这一步本来在link阶段，现在却在计算时进行验证
2. 产生很多临时对象，造成GC与计算时间消耗
3. 由于缺少上下文，丢失了很多运行时的优化，比如JIT(它可以看作JVM的重要评测标准之一)

当然，现代JVM也不是非常慢了，它能够对反射代码进行缓存以及通过方法计数器同样实现JIT优化，所以反射不一定慢。

更重要的是，很多情况下，你自己的代码才是限制程序的瓶颈。因此，在开发效率远大于运行效率的的基础上，大胆使用反射，放心开发吧。