Java反射在JVM的实现

2022-01-03 23:35:12

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

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。

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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
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    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
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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

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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<clinit>()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<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。

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。
Java反射在JVM的实现

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<clinit()>的静态代码段与静态变量（取决于源码顺序）。

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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：

在完成初始化后，就是Object的构造<init>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(<init>())
  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. <init>()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

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//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

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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*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。

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