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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

  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< 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。
图片描述
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

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:
1.When and how a Java class is loaded and initialized?
2.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.<init>()的查表
3.Method.invoke本身耗时
  1. 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

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。

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