Java反射在JVM的實現

1. 什麼是Java反射，有什麼用？

反射使程式碼能夠存取裝載到JVM中的類別的內部訊息，允許在編寫與執行時，而不是原始程式碼中選定的類別協作的程式碼，是以開發效率換運行效率的一種手段。這使反射成為建立靈活應用的主要工具。

反射可以：

呼叫一些私有方法，實作黑科技。例如雙卡簡訊發送、設定狀態列顏色、自動掛電話等。

實現序列化與反序列化，例如PO的ORM，Json解析等。

實作跨平台相容，例如JDK中的SocketImpl的實作

透過xml或註解，實作依賴注入(DI)，註解處理，動態代理，單元測試等功能。例如Retrofit、Spring或Dagger

2. Java Class檔案的結構

在*.class檔案中，以Byte流的形式進行Class的存儲，透過一系列Load，Parse後，Java程式碼實際上可以映射為下圖的結構體，這裡可以用

javap

指令或IDE插件來檢視。

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;

常數池(constant pool):類似C中的DATA段與BSS段，提供常數、字串、方法名稱等值或符號（可視為偏移定值的指針）的存放

access_flags: 對Class的flag修飾

 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，指向常數池中真正的位址，將在Link階段進行符號解引。

filed: 欄位訊息，結構體如下

 

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，並指向常數池：

它的結構體如下，詳細在這裡

 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

JVM文档

周志明的《深入理解Java虚拟机》，少见的国内精品书籍

一些国外教程的解析

3. Java Class載入的過程

Class的載入主要分為兩步驟

第一步透過ClassLoader進行讀取、連結操作

第二步進行Class的

<clinit>()

初始化。

3.1. Classloader載入程序

ClassLoader用於載入、連線、快取Class，可以透過純Java或native進行實作。在JVM的native程式碼中，ClassLoader內部維護一個線程安全的

HashTable<String,Class>

，用於實現對Class字節流解碼後的緩存，如果HashTable中已經有了緩存，則直接返回緩存；反之，在取得類別名稱後，透過讀取檔案、網路上的class位元組流反序列化為JVM中native的C結構體，接著malloc內存，並將指標快取在HashTable中。

下面是非數組情況下ClassLoader的流程

find/load: 將檔案反序列化為C結構體。



Class反序列化的流程

link: 根據Class結構體常數池進行符號的解引。例如物件計算記憶體空間，建立方法表，native invoker，介面方法表，finalizer函數等工作。

3.2. 初始化過程

當ClassLoader載入Class結束後，將進行Class的初始化操作。主要執行

<clinit()>

的靜態程式碼段與靜態變數（取決於原始碼順序）。

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：

When and how a Java class is loaded and initialized?

The Lifetime of a Type

在完成初始化後，就是Object的構造

<init>

了，本文暫不討論。

4. 反射在native的實作

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作。

4.1. Class.forName的實作

Class.forName可以透過套件名稱尋找Class對象，例如

Class.forName("java.lang.String")

。

在JDK的原始碼實作中，可以發現最終呼叫的是native方法

forName0()

，它在JVM中呼叫的實際上是

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的實作

在JDK原始碼中，可以知道

class.getDeclaredFields()

方法實際呼叫的是native方法

getDeclaredFields0()

，它在JVM主要實現步驟如下

根據Class結構體信息，獲取

field_count

與

fields[]

字段，這個字段早已在load過程中被放入了

根據

field_count

的大小分配記憶體、建立陣列

將陣列進行forEach循環，透過

fields[]

中的資訊依序建立Object物件

傳回數組指標

主要慢在如下方面

创建、计算、分配数组对象

对字段进行循环赋值

4.3. Method.invoke的實作

以下為無同步、無異常的情況下呼叫的步驟

建立Frame

如果物件flag為native，交給native_handler進行處理

在frame中執行java程式碼

彈出Frame

回傳執行結果的指標

主要慢在如下方面

需要完全执行ByteCode而缺少JIT等优化

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的實作

檢測權限、預先分配空間大小等參數

建立Object對象，並分配空間

透過Method.invoke呼叫建構子(

<init>()

)

返回Object指標

主要慢在如下方面

参数检查不能优化或者遗漏的查表

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

//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

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

产生很多临时对象，造成GC与计算时间消耗

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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