Java反射在JVM的实现
mouyee
8年前
<p>本文目录</p> <ol> <li>什么是Java反射，有什么用？</li> <li>Java Class文件的结构</li> <li>Java Class加载的过程</li> <li>反射在native的实现</li> <li>附录</li> </ol> <h2>1. 什么是Java反射，有什么用？</h2> <p>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。</p> <p>反射可以：</p> <ol> <li>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。</li> <li>实现序列化与反序列化，比如PO的ORM，Json解析等。</li> <li>实现跨平台兼容，比如JDK中的SocketImpl的实现</li> <li>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</li> </ol> <h2>2. Java Class文件的结构</h2> <p>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。</p> <pre> <code class="language-cpp">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;</code></pre> <ul> <li>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</li> <li>access_flags: 对Class的flag修饰 <pre> <code class="language-java">typedef enum { ACC_PUBLIC = 0x0001, ACC_FINAL = 0x0010, ACC_SUPER = 0x0020, ACC_INTERFACE = 0x0200, ACC_ACSTRACT = 0x0400 }AccessFlag</code></pre> </li> <li>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。</li> </ul> <ul> <li>filed: 字段信息，结构体如下</li> </ul> <pre> <code class="language-java">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;</code></pre> <ul> <li>method: 提供descriptor, access_flags, Code等索引，并指向常量池：</li> </ul> <p>它的结构体如下，详细在 <a href="/misc/goto?guid=4959677005017706805" rel="nofollow,noindex">这里</a></p> <pre> <code class="language-java">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]; }</code></pre> <p>以上具体内容可以参考</p> <ol> <li><a href="/misc/goto?guid=4959677005102519533" rel="nofollow,noindex">JVM文档</a></li> <li>周志明的《深入理解Java虚拟机》，少见的国内精品书籍</li> <li>一些国外教程的 <a href="/misc/goto?guid=4959677005182044988" rel="nofollow,noindex">解析</a></li> </ol> <h2>3. Java Class加载的过程</h2> <p>Class的加载主要分为两步</p> <ul> <li>第一步通过ClassLoader进行读取、连结操作</li> <li>第二步进行Class的 <clinit>() 初始化。</li> </ul> <p>3.1. Classloader加载过程</p> <p>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<String,Class> ，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。</p> <p>下面是非数组情况下ClassLoader的流程</p> <ul> <li>find/load: 将文件反序列化为C结构体。</li> </ul> <p><img src="https://simg.open-open.com/show/7cb5941d0048276e85f749c2d4eda353.png"></p> <p>Class反序列化的流程</p> <ul> <li>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。</li> </ul> <p>3.2. 初始化过程</p> <p>当ClassLoader加载Class结束后，将进行Class的初始化操作。主要执行 <clinit()> 的静态代码段与静态变量（取决于源码顺序）。</p> <pre> <code class="language-java">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 } }</code></pre> <p>具体参考如下：</p> <ul> <li><a href="/misc/goto?guid=4958822217705970068" rel="nofollow,noindex">When and how a Java class is loaded and initialized?</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=4959677005293394533" rel="nofollow,noindex">The Lifetime of a Type</a></li> </ul> <p>在完成初始化后，就是Object的构造 <init> 了，本文暂不讨论。</p> <h2>4. 反射在native的实现</h2> <p>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。</p> <p>4.1. Class.forName的实现</p> <p>Class.forName可以通过包名寻找Class对象，比如 Class.forName("java.lang.String") 。</p> <p>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。</p> <p>4.2. getDeclaredFields的实现</p> <p>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</p> <ol> <li>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</li> <li>根据 field_count 的大小分配内存、创建数组</li> <li>将数组进行forEach循环，通过 fields[] 中的信息依次创建Object对象</li> <li>返回数组指针</li> </ol> <p>主要慢在如下方面</p> <ol> <li>创建、计算、分配数组对象</li> <li>对字段进行循环赋值</li> </ol> <h3>4.3. Method.invoke的实现</h3> <p>以下为无同步、无异常的情况下调用的步骤</p> <ol> <li>创建Frame</li> <li>如果对象flag为native，交给native_handler进行处理</li> <li>在frame中执行java代码</li> <li>弹出Frame</li> <li>返回执行结果的指针</li> </ol> <p>主要慢在如下方面</p> <ol> <li>需要完全执行ByteCode而缺少JIT等优化</li> <li>检查参数非常多，这些本来可以在编译器或者加载时完成</li> </ol> <h3>4.4. class.newInstance的实现</h3> <ol> <li>检测权限、预分配空间大小等参数</li> <li>创建Object对象，并分配空间</li> <li>通过Method.invoke调用构造函数( <init>() )</li> <li>返回Object指针</li> </ol> <p>主要慢在如下方面</p> <ol> <li>参数检查不能优化或者遗漏</li> <li><init>() 的查表</li> <li>Method.invoke本身耗时</li> </ol> <h2>5. 附录</h2> <h3>5.1. JVM与源码阅读工具的选择</h3> <p>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。</p> <p>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。</p> <h3>5.2. 关于几个ClassLoader</h3> <p>参考 <a href="/misc/goto?guid=4959677005365985091" rel="nofollow,noindex">这里</a></p> <p>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。</p> <p>ExtClassLoader: 用于加载JDK中额外的包，一般不怎么用</p> <p>AppClassLoader: 加载自己写的或者引用的第三方包，这个最常见</p> <p>例子如下</p> <pre> <code class="language-java">//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()</code></pre> <p>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</p> <pre> <code class="language-java">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); }</code></pre> <p>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。</p> <h3>5.3. 反射是否慢？</h3> <p>在Stackoverflow上认为反射比较慢的程序员主要有如下看法</p> <ol> <li>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</li> <li>产生很多临时对象，造成GC与计算时间消耗</li> <li>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)</li> </ol> <p>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。</p> <p>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。</p> <h2>参考文献</h2> <ol> <li><a href="/misc/goto?guid=4959677005455222803" rel="nofollow,noindex">http://原网站已经失效/article/reflect-bad.html</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=4958864271752062346" rel="nofollow,noindex">http://blog.csdn.net/lmj623565791/article/details/43452969</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=4959626154648605705" rel="nofollow,noindex">http://codekk.com/open-source-project-analysis/detail/Android/Trinea/%E5%85%AC%E5%85%B1%E6%8A%80%E6%9C%AF%E7%82%B9%E4%B9%8BJava%20%E6%B3%A8%E8%A7%A3%20Annotation</a></li> <li><a href="/misc/goto?guid=4959677005584131240" rel="nofollow,noindex">http://www.trinea.cn/android/java-annotation-android-open-source-analysis/</a></li> </ol> <p> </p> <p>来自：http://www.importnew.com/21211.html</p> <p> </p> <p><span style="color:rgb(255, 255, 255)">Save</span></p>