Java反射在JVM的实现
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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：
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。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 | 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
1 2 3 4 5 6 7 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
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | 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
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 | 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
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）。
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | 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：
- 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
主要慢在如下方面
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
主要慢在如下方面
4.4. class.newInstance的實現
主要慢在如下方面
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
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | //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
| 1 2 3 4 5 6 7 | 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
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
from:?http://www.importnew.com/21211.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Java反射在JVM的实现的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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