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(nèi)部信息，允許在編寫與執(zhí)行時(shí)，而不是源代碼中選定的類協(xié)作的代碼，是以開(kāi)發(fā)效率換運(yùn)行效率的一種手段。這使反射成為構(gòu)建靈活應(yīng)用的主要工具。
反射可以：
2. Java Class文件的結(jié)構(gòu)
在*.class文件中，以Byte流的形式進(jìn)行Class的存儲(chǔ)，通過(guò)一系列Load，Parse后，Java代碼實(shí)際上可以映射為下圖的結(jié)構(gòu)體，這里可以用javap命令或者IDE插件進(jìn)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(wǎng)上有表可查*/ ????u2???????????? major_version; /*網(wǎng)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(hào)（可以看作偏移定值的指針）的存放
- access_flags: 對(duì)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(gè)長(zhǎng)度為u2的指針，指向常量池中真正的地址，將在Link階段進(jìn)行符號(hào)解引。
- filed: 字段信息，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體如下，詳細(xì)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(nèi)容可以參考
3. Java Class加載的過(guò)程
Class的加載主要分為兩步
- 第一步通過(guò)ClassLoader進(jìn)行讀取、連結(jié)操作
- 第二步進(jìn)行Class的<clinit>()初始化。
3.1. Classloader加載過(guò)程
ClassLoader用于加載、連接、緩存Class，可以通過(guò)純Java或者native進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在JVM的native代碼中，ClassLoader內(nèi)部維護(hù)著一個(gè)線程安全的HashTable<String,Class>，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)Class字節(jié)流解碼后的緩存，如果HashTable中已經(jīng)有了緩存，則直接返回緩存；反之，在獲得類名后，通過(guò)讀取文件、網(wǎng)絡(luò)上的class字節(jié)流反序列化為JVM中native的C結(jié)構(gòu)體，接著malloc內(nèi)存，并將指針緩存在HashTable中。
下面是非數(shù)組情況下ClassLoader的流程
- find/load: 將文件反序列化為C結(jié)構(gòu)體。
Class反序列化的流程
- link: 根據(jù)Class結(jié)構(gòu)體常量池進(jìn)行符號(hào)的解引。比如對(duì)象計(jì)算內(nèi)存空間，創(chuàng)建方法表，native invoker，接口方法表，finalizer函數(shù)等工作。
3.2. 初始化過(guò)程
當(dāng)ClassLoader加載Class結(jié)束后，將進(jìn)行Class的初始化操作。主要執(zhí)行<clinit()>的靜態(tài)代碼段與靜態(tài)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(gòu)造<init>了，本文暫不討論。
4. 反射在native的實(shí)現(xiàn)
反射在Java中可以直接調(diào)用，不過(guò)最終調(diào)用的仍是native方法，以下為主流反射操作的實(shí)現(xiàn)。
4.1. Class.forName的實(shí)現(xiàn)
Class.forName可以通過(guò)包名尋找Class對(duì)象，比如Class.forName("java.lang.String")。
在JDK的源碼實(shí)現(xiàn)中，可以發(fā)現(xiàn)最終調(diào)用的是native方法forName0()，它在JVM中調(diào)用的實(shí)際是findClassFromClassLoader()，原理與ClassLoader的流程一樣，具體實(shí)現(xiàn)已經(jīng)在上面介紹過(guò)了。
4.2. getDeclaredFields的實(shí)現(xiàn)
在JDK源碼中，可以知道class.getDeclaredFields()方法實(shí)際調(diào)用的是native方法getDeclaredFields0()，它在JVM主要實(shí)現(xiàn)步驟如下
主要慢在如下方面
4.3. Method.invoke的實(shí)現(xiàn)
以下為無(wú)同步、無(wú)異常的情況下調(diào)用的步驟
主要慢在如下方面
4.4. class.newInstance的實(shí)現(xiàn)
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(xué)習(xí)JVM時(shí)，不建議去看Android Art、Hotspot等重量級(jí)JVM的實(shí)現(xiàn)，它內(nèi)部的防御代碼很多，還有android與libcore、bionic庫(kù)緊密耦合，以及分層、內(nèi)聯(lián)甚至能把編譯器的語(yǔ)義分析繞進(jìn)去，因此找一個(gè)教學(xué)用的、嵌入式小型的JVM有利于節(jié)約自己的時(shí)間。因?yàn)橐郧罢垓v過(guò)OpenWrt，聽(tīng)過(guò)有大神推薦過(guò)jamvm，只有不到200個(gè)源文件，非常適合學(xué)習(xí)。
在工具的選擇上，個(gè)人推薦SourceInsight。對(duì)比了好幾個(gè)工具clion，vscode，sublime，sourceinsight，只有sourceinsight對(duì)索引、符號(hào)表的解析最準(zhǔn)確。
5.2. 關(guān)于幾個(gè)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(gè)最常見(jiàn)
例子如下
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@4b67cf4d //which class you create or jars from thirdParty //第一個(gè)非常有歧義，但是它的確是AppClassLoader ClassLoader.getSystemClassLoader(); com.test.App.getClass().getClassLoader(); Class.forName("ccom.test.App").getClassLoader() //sun.misc.Launcher$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(guò)設(shè)置一個(gè)臨時(shí)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(shí)現(xiàn)加密、壓縮、熱部署等功能，這個(gè)是大坑，晚點(diǎn)再開(kāi)。
5.3. 反射是否慢？
在Stackoverflow上認(rèn)為反射比較慢的程序員主要有如下看法
當(dāng)然，現(xiàn)代JVM也不是非常慢了，它能夠?qū)Ψ瓷浯a進(jìn)行緩存以及通過(guò)方法計(jì)數(shù)器同樣實(shí)現(xiàn)JIT優(yōu)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(kāi)發(fā)效率遠(yuǎn)大于運(yùn)行效率的的基礎(chǔ)上，大膽使用反射，放心開(kāi)發(fā)吧。
參考文獻(xiàn)
from:?http://www.importnew.com/21211.html
總結(jié)
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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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