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老司机带你深入浅出Java反射

 小刀爱编程
发布于 2018/11/07 19:19
字数 3302
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反射,它就像是一种魔法,引入运行时自省能力,赋予了 Java 语言令人意外的活力,通过运行时操作元数据或对象,Java 可以灵活地操作运行时才能确定的信息

这里笔者就深入浅出总结下Java反射,若有不正确地方,感谢评论区指正交流~ 建议打开idea,写一个Java反射的demo,跟着调试,效果会更好 :)

反射的概念是由Smith在1982年首次提出的,主要是指程序可以访问、检测和修改它本身状态或行为的一种能力。有了反射,使Java相对于C、C++等语言就有了很强大的操作对象属性及其方法的能力,注意,反射与直接调用对象方法和属性相比,性能有一定的损耗,但是如果不是用在对性能有很强的场景下,反射都是一个很好且灵活的选择。

说到反射,首先要了解什么是Class。每个类都会产生一个对应的Class对象,一般保存在.class文件中。所有类都是在对其第一次使用时,动态加载到JVM的,当程序创建一个对类的静态成员的引用时,就会加载这个类。Class对象仅在需要的时候才会加载,static初始化是在类加载时进行的。类加载时,类加载器首先会检查这个类的Class对象是否已被加载过,如果尚未加载,默认的类加载器就会根据类名查找对应的.class文件。

class文件

任何一个Class文件都对应着唯一一个类或接口的信息(这里的类包括抽象类哈),但反过来,类或接口信息并不一定都定义在文件里(比如类或接口可能动态生成,Spring中AOP的实现中就有可能动态生成代理类)。Class文件是一组以8字节为基础单位的二进制文件,各个数据项严格按照顺序紧凑着排列,中间几乎没有任何分隔符,也就是说整个Class文件存储的几乎都是程序运行所需的必要数据。

想在运行时使用类型信息,必须获取对象(比如类Base对象)的Class对象的引用,使用Class.forName(“Base”)可以实现该目的,或者使用Base.class。注意,有一点很有趣,使用”.class”来创建Class对象的引用时,不会自动初始化该Class对应类,使用forName()会自动初始化该Class对应类。使用”.class”不会自动初始化是因为被延迟到了对静态方法(构造器隐私地是静态的)或者非常数静态域进行首次引用时才进行。

为了使用类而做的准备工作一般有以下3个步骤:

  • 加载:由类加载器完成,找到对应的字节码,创建一个Class对象
  • 链接:验证类中的字节码,为静态域分配空间
  • 初始化:如果该类有超类,则对其初始化,执行静态初始化器和静态初始化块

如果不知道某个对象的确切类型,RTTI可以告诉你,但是有一个前提:这个类型在编译时必须已知,这样才能使用RTTI来识别它。而Class类与java.lang.reflect类库一起对反射进行了支持,该类库包含Field、Method和Constructor类,这些类的对象由JVM在启动时创建,用以表示未知类里对应的成员。

反射机制并没有什么神奇之处,当通过反射与一个未知类型的对象打交道时,JVM只是简单地检查这个对象,看它属于哪个特定的类。因此,那个类的.class对于JVM来说必须是可获取的,要么在本地机器上,要么从网络获取。所以对于RTTI和反射之间的真正区别只在于:

  • RTTI:编译器在编译时打开和检查.class文件
  • 反射:运行时打开和检查.class文件

反射应用实践

反射获取对象中所有属性值:

public class Person {
    private String name;
    private int age;
    // ...
}
 
Person person = new Person();
person.setName("luo");
person.setAge(25);
 
try {
    Class clazz = person.getClass();
    Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();
    for (Field field : fields) {
        field.setAccessible(true);
        System.out.println(field.getType() + " | " + field.getName() + " = " + field.get(person));
    }
 
    // 通过反射获取某一个方法
    Method method = clazz.getMethod("setName", String.class);
    method.invoke(person, "bei");
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
}

平常的项目开发基本很少与反射打交道,因为框架已经帮我们做了很多的事情了。但这不能说明反射机制没有用,实际上有很多设计、开发都与反射机制有关,例如模块化的开发,通过反射去调用对应的字节码;动态代理设计模式也采用了反射机制,还有我们日常使用的 Spring/Hibernate 等框架,也是利用CGLIB 反射机制才得以实现。

反射技术在在框架和中间件技术应用较多,有一句老话就是反射是Java框架的基石。典型的使用就是Spring的IoC实现,不管对象谁管理创建,只要我能用就行。再比如RPC技术可以借助于反射来实现,本地主机将要远程调用的对象方法等信息发送给远程主机,这些信息包括class名、方法名、方法参数类型、方法入参等,远程主机接收到这些信息后就可以借助反射来获取并执行对象方法,然后将结果返回即可。

说了那么多,那么Java反射是如何实现的呢?简单来说Java反射就是靠JVM和Class相关类来实现的,Class相关类包括Field、Method和Constructor类等。类加载器加载完成一个类之后,会生成类对应的Class对象、Field对象、Method对象、Constructor对象,这些对象都保存在JVM(方法区)中,这也说明了反射必须在加载类之后进行的原因。使用反射时,其实就是与上述所说的这几个对象打交道呀(貌似Java反射也就这么一回事哈)。

既然了解了Java反射原理,可以试想一下C++为什么没有反射呢,想让C++拥有反射该如何做呢?Java相对于C++实现反射最重要的差别就是Java可以依靠JVM这一悍将,可以由JVM保存对象的相关信息,然后应用程序使用时直接从JVM中获取使用。但是C++编译后直接变成了机器码了,貌似类或者对象的啥信息都没了。。。 其实想让C++有用反射能力,就需要保存能够操作类方法、类构造方法、类属性的这些信息,这些信息要么由应用程序自己来做,要么由第三方工具来保存,然后应用程序使用从它那里获取,这些信息可以通过(函数)指针来记录,使用时通过指针来调用。

反射机制

这里我们以Method.invoke流程来分析反射流程:

public class Person {
    private String name;
    private int age;
 
    public String getName() {
        return name;
    }
    // 其他setter/getter方法
}
 
public static void main(String[] args) throws Exception {
    Person person = new Person();
    person.setName("luo");
    person.setAge(26);
 
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        Method method = Person.class.getMethod("getName");
        System.out.println(method.invoke(person));
    }
}

以上代码通过反射调用person对象中的方法,下面跟着源码看下Method.invoke的执行流程:

// Method
public Object invoke(Object obj, Object... args)
        throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
           InvocationTargetException
{
    MethodAccessor ma = methodAccessor;             // read volatile
    if (ma == null) {
        // 这里会调用reflectionFactory.newMethodAccessor(this)创建一个新的MethodAccessor
        // 并赋值给methodAccessor,下次就不会进入到这里了
        // ma实际类型是DelegatingMethodAccessorImpl,代理对目标方法的调用
        ma = acquireMethodAccessor();
    }
    return ma.invoke(obj, args);
}
 
class DelegatingMethodAccessorImpl extends MethodAccessorImpl {
    private MethodAccessorImpl delegate;
    DelegatingMethodAccessorImpl(MethodAccessorImpl var1) {
        this.setDelegate(var1);
    }
 
    public Object invoke(Object var1, Object[] var2) throws IllegalArgumentException, InvocationTargetException {
        return this.delegate.invoke(var1, var2);
    }
 
    void setDelegate(MethodAccessorImpl var1) {
        this.delegate = var1;
    }
}
 
// NativeMethodAccessorImpl
public Object invoke(Object var1, Object[] var2) throws IllegalArgumentException, InvocationTargetException {
    // ReflectionFactory.inflationThreshold()默认15,如果某一个Method反射调用超过15次,
    // 则自动生成GeneratedMethodAccessor赋值给DelegatingMethodAccessorImpl.delegate
    if (++this.numInvocations > ReflectionFactory.inflationThreshold() && !ReflectUtil.isVMAnonymousClass(this.method.getDeclaringClass())) {
        // 通过asm自动生成MethodAccessorImpl的实现类GeneratedMethodAccessor
        MethodAccessorImpl var3 = (MethodAccessorImpl)(new MethodAccessorGenerator()).generateMethod(this.method.getDeclaringClass(), this.method.getName(), this.method.getParameterTypes(), this.method.getReturnType(), this.method.getExceptionTypes(), this.method.getModifiers());
        this.parent.setDelegate(var3);
    }
 
    return invoke0(this.method, var1, var2);
}
// native方法,jni方式调用对应方法,调用的是对应的java方法
private static native Object invoke0(Method var0, Object var1, Object[] var2);

下面分别看下NativeMethodAccessorImpl和GeneratedMethodAccessor的调用栈信息:

Java默认在执行Method.invoke超过15次时(通过-Dsun.reflect.inflationThreshold可更改次数值,每个方法对应一个Method对象),JVM会通过asm生成GeneratedMethodAccessor类,由该类调用对应的method方法。 执行NativeMethodAccessorImpl.invoke是通过调用JNI方法,在JNI方法中再调用对应的java method方法,这种方式相对于使用GeneratedMethodAccessor.invoe方法来说,前者性能较弱,原因有以下几点:

  • 针对本地方法,jvm无法优化,无法动态inline,其他高级的优化方案都无法优化jni。
  • 执行native涉及到运行栈切换(虚拟机栈切换到本地方法栈),如果本地方法中再调用java方法是有一定的开销的,肯定比不上Java中调用Java方法。
  • 二者内存模型不一样,参数需要转换,比如字符串,数组,复杂结构。转换成本非常高。此开销和调用接口参数有关。

在默认情况下,方法的反射调用为委派实现,委派给本地实现来进行方法调用。在调用超过 15 次之后,委派实现便会将委派对象切换至动态实现。这个动态的字节码是在Java运行过程中通过ASM自动生成的,它将直接使用 invoke 指令来调用目标方法。Java实现的版本在初始化时需要较多时间,但长久来说性能较好;native版本正好相反,启动时相对较快,但运行时间长了之后速度就比不过Java版了。这是HotSpot的优化方式带来的性能特性,同时也是许多虚拟机的共同点:跨越native边界会对优化有阻碍作用,它就像个黑箱一样让虚拟机难以分析也将其内联,于是运行时间长了之后反而是托管版本的代码更快些。 

GeneratedMethodAccessor机制

默认method.invoke调用超过15次,会调用MethodAccessorGenerator.generate生成对应GeneratedMethodAccessorN类,代码如下:

// MethodAccessorGenerator
private MagicAccessorImpl generate(final Class<?> var1, String var2, Class<?>[] var3, Class<?> var4, Class<?>[] var5, int var6, boolean var7, boolean var8, Class<?> var9) {
    ByteVector var10 = ByteVectorFactory.create();
    this.asm = new ClassFileAssembler(var10);
    this.declaringClass = var1;
    this.parameterTypes = var3;
    this.returnType = var4;
    this.modifiers = var6;
    this.isConstructor = var7;
    this.forSerialization = var8;
    this.asm.emitMagicAndVersion();
    short var11 = 42;
    boolean var12 = this.usesPrimitiveTypes();
    if (var12) {
        var11 = (short)(var11 + 72);
    }

    if (var8) {
        var11 = (short)(var11 + 2);
    }

    var11 += (short)(2 * this.numNonPrimitiveParameterTypes());
    this.asm.emitShort(add(var11, (short)1));
    final String var13 = generateName(var7, var8);
    this.asm.emitConstantPoolUTF8(var13);
    this.asm.emitConstantPoolClass(this.asm.cpi());
    this.thisClass = this.asm.cpi();
    if (var7) {
        if (var8) {
            this.asm.emitConstantPoolUTF8("sun/reflect/SerializationConstructorAccessorImpl");
        } else {
            this.asm.emitConstantPoolUTF8("sun/reflect/ConstructorAccessorImpl");
        }
    } else {
        this.asm.emitConstantPoolUTF8("sun/reflect/MethodAccessorImpl");
    }

    this.asm.emitConstantPoolClass(this.asm.cpi());
    this.superClass = this.asm.cpi();
    this.asm.emitConstantPoolUTF8(getClassName(var1, false));
    this.asm.emitConstantPoolClass(this.asm.cpi());
    this.targetClass = this.asm.cpi();
    short var14 = 0;
    if (var8) {
        this.asm.emitConstantPoolUTF8(getClassName(var9, false));
        this.asm.emitConstantPoolClass(this.asm.cpi());
        var14 = this.asm.cpi();
    }

    this.asm.emitConstantPoolUTF8(var2);
    this.asm.emitConstantPoolUTF8(this.buildInternalSignature());
    this.asm.emitConstantPoolNameAndType(sub(this.asm.cpi(), (short)1), this.asm.cpi());
    if (this.isInterface()) {
        this.asm.emitConstantPoolInterfaceMethodref(this.targetClass, this.asm.cpi());
    } else if (var8) {
        this.asm.emitConstantPoolMethodref(var14, this.asm.cpi());
    } else {
        this.asm.emitConstantPoolMethodref(this.targetClass, this.asm.cpi());
    }

    this.targetMethodRef = this.asm.cpi();
    if (var7) {
        this.asm.emitConstantPoolUTF8("newInstance");
    } else {
        this.asm.emitConstantPoolUTF8("invoke");
    }

    this.invokeIdx = this.asm.cpi();
    if (var7) {
        this.asm.emitConstantPoolUTF8("([Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;");
    } else {
        this.asm.emitConstantPoolUTF8("(Ljava/lang/Object;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;");
    }

    this.invokeDescriptorIdx = this.asm.cpi();
    this.nonPrimitiveParametersBaseIdx = add(this.asm.cpi(), (short)2);

    for(int var15 = 0; var15 < var3.length; ++var15) {
        Class var16 = var3[var15];
        if (!isPrimitive(var16)) {
            this.asm.emitConstantPoolUTF8(getClassName(var16, false));
            this.asm.emitConstantPoolClass(this.asm.cpi());
        }
    }

    this.emitCommonConstantPoolEntries();
    if (var12) {
        this.emitBoxingContantPoolEntries();
    }

    if (this.asm.cpi() != var11) {
        throw new InternalError("Adjust this code (cpi = " + this.asm.cpi() + ", numCPEntries = " + var11 + ")");
    } else {
        this.asm.emitShort((short)1);
        this.asm.emitShort(this.thisClass);
        this.asm.emitShort(this.superClass);
        this.asm.emitShort((short)0);
        this.asm.emitShort((short)0);
        this.asm.emitShort((short)2);
        this.emitConstructor();
        this.emitInvoke();
        this.asm.emitShort((short)0);
        var10.trim();
        final byte[] var17 = var10.getData(); // class数据
        return (MagicAccessorImpl)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<MagicAccessorImpl>() {
            public MagicAccessorImpl run() {
                try {
                    // 生成反射类GeneratedMethodAccessorN,对应的classLoader为DelegatingClassLoader
                    return (MagicAccessorImpl)ClassDefiner.defineClass(var13, var17, 0, var17.length, var1.getClassLoader()).newInstance();
                } catch (IllegalAccessException | InstantiationException var2) {
                    throw new InternalError(var2);
                }
            }
        });
    }
}

View Code

注意:生成对应GeneratedMethodAccessorN类,其对应的classLoader是DelegatingClassLoader,生成的GeneratedMethodAccessorN类是放在永久代的,那么就会产生一个问题,如果数量过多,则会占用永久代太多空间(java8中已没有永久代空间,类数据放在直接内存中)。

生成的GeneratedMethodAccessorN类是什么样的呢?如下所示:在此我向大家推荐一个架构学习交流群。交流学习群号:821169538  里面会分享一些资深架构师录制的视频录像:有Spring,MyBatis,Netty源码分析,高并发、高性能、分布式、微服务架构的原理,JVM性能优化、分布式架构等这些成为架构师必备的知识体系。还能领取免费的学习资源,目前受益良多。

package sun.reflect;

import com.luo.test.InvokeBean;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;

public class GeneratedMethodAccessor1 extends MethodAccessorImpl {
    public GeneratedMethodAccessor1() {
    }

    public Object invoke(Object var1, Object[] var2) throws InvocationTargetException {
        if (var1 == null) {
            throw new NullPointerException();
        } else {
            InvokeBean var10000;
            Integer var10001;
            try {
                var10000 = (InvokeBean)var1;
                if (var2.length != 1) {
                    throw new IllegalArgumentException();
                }

                var10001 = (Integer)var2[0];
            } catch (NullPointerException | ClassCastException var4) {
                throw new IllegalArgumentException(var4.toString());
            }

            try {
                return var10000.test(var10001);
            } catch (Throwable var3) {
                throw new InvocationTargetException(var3);
            }
        }
    }
}

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