浅谈反射机制

2018年我刚入行时曾经写过一篇反射相关的博客:初识反射

Emmmmm....现在看来还是非常稚嫩的。晚上要在B站直播讲解JDK动态代理,免不了要用到反射。于是,想着还是把反射机制再梳理一遍,有兴趣的朋友可以看看。

我不会去否认过去的每一篇文章,它们未必精确却代表了自己当时所能理解的限度...每写完一篇文章,我都能感受到原本一个个孤立的知识由点到线,由线到面,最终拔地而起变成一个个立体的概念,让我有机会站在更高的地方去环视周围这个广袤无垠的程序世界。这感觉,会上瘾。

由于反射本身确实抽象(说是Java中最抽象的概念也不为过),所以我当初写作时也用了大量的比喻。但是比喻有时会让答案偏离得更远。前阵子看了些讲设计模式的文章,把比喻都用坏了。有时理解比喻,竟然要比理解设计模式本身还费劲...那就南辕北辙了。所以,这一次,能不用比喻就尽量不用,争取用最实在的代码去解释。

主要内容:

  • JVM是如何构建一个实例的
  • .class文件
  • 类加载器
  • Class类
  • 反射API

JVM是如何构建一个实例的

下文我会使用的名词及其对应关系

  • 内存:即JVM内存,栈、堆、方法区啥的都是JVM内存,只是人为划分
  • .class文件:就是所谓的字节码文件,这里称.class文件,直观些

假设main方法中有以下代码:

Person p = new Person();

很多初学者会以为整个创建对象的过程是下面这样的

javac Person.java
java Person

不能说错,但是粗糙了一点。

稍微细致一点的过程可以是下面这样的

通过new创建实例和反射创建实例,都绕不开Class对象。


.class文件

有人用编辑器打开.class文件看过吗?

比如我现在写一个类

用vim命令打开.class文件,以16进制显示就是下面这副鬼样子:

在计算机中,任何东西底层保存的形式都是0101代码。

.java源码是给人类读的,而.class字节码是给计算机读的。根据不同的解读规则,可以产生不同的意思。就好比“这周日你有空吗”,合适的断句很重要。

同样的,JVM对.class文件也有一套自己的读取规则,不需要我们操心。总之,0101代码在它眼里的样子,和我们眼中的英文源码是一样的。


类加载器

在上一小节中,我们了解到.class文件是由类加载器加载的。关于类加载器,如果掰开讲,是有很多门道的,可以看看 @请叫我程序猿大人 写的好怕怕的类加载器。但是核心方法只有loadClass(),告诉它需要加载的类名,它会帮你加载:

   protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先,检查是否已经加载该类
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    // 如果尚未加载,则遵循父优先的等级加载机制(所谓双亲委派机制)
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // 模板方法模式:如果还是没有加载成功,调用findClass()
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

    // 子类应该重写该方法
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

加载.class文件大致可以分为3个步骤:

  1. 检查是否已经加载,有就直接返回,避免重复加载
  2. 当前缓存中确实没有该类,那么遵循父优先加载机制,加载.class文件
  3. 上面两步都失败了,调用findClass()方法加载

需要注意的是,ClassLoader类本身是抽象类,而抽象类是无法通过new创建对象的。所以它的findClass()方法写的很随意,直接抛了异常,反正你无法通过ClassLoader对象调用。也就是说,父类ClassLoader中的findClass()方法根本不会去加载.class文件。

正确的做法是,子类重写覆盖findClass(),在里面写自定义的加载逻辑。比如:

@Override
public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
	try {
		/*自己另外写一个getClassData()
                  通过IO流从指定位置读取xxx.class文件得到字节数组*/
		byte[] datas = getClassData(name);
		if(datas == null) {
			throw new ClassNotFoundException("类没有找到:" + name);
		}
		//调用类加载器本身的defineClass()方法,由字节码得到Class对象
		return defineClass(name, datas, 0, datas.length);
	} catch (IOException e) {
		e.printStackTrace();
		throw new ClassNotFoundException("类找不到:" + name);
	}
}

defineClass()是ClassLoader定义的方法,目的是根据.class文件的字节数组byte[] b造出一个对应的Class对象。我们无法得知具体是如何实现的,因为最终它会调用一个native方法:

反正,目前我们关于类加载只需知道以下信息:


Class类

现在,.class文件已经被类加载器加载到内存中,并且JVM根据其字节数组创建了对应的Class对象。

接下来,我们来研究一下Class对象,我们将在这一小节一步步分析Class类的结构。

但是,在看源码之前,我想问问聪明的各位,如果你是JDK源码设计者,你会如何设计Class类?

假设现在有个BaseDto类

上面类至少包括以下信息(按顺序):

  • 权限修饰符
  • 类名
  • 参数化类型(泛型信息)
  • 接口
  • 注解
  • 字段(重点)
  • 构造器(重点)
  • 方法(重点)

最终这些信息在.class文件中都会以0101表示:

整个.class文件最终都成为字节数组byte[] b,里面的构造器、方法等各个“组件”,其实也是字节。

所以,我猜Class类的字段至少是这样的:

好了,看一下源码是不是如我所料:

字段、方法、构造器对象
注解数据
泛型信息

等等。

而且,针对字段、方法、构造器,因为信息量太大了,JDK还单独写了三个类:Field、Method、Constructor。我们挑Method类看一下:

也就是说,Class类虽然准备了很多字段用来表示一个.class文件的信息,比如类名、注解、实现的接口等,但对于字段、方法、构造器等,为了更详细地描述这些重要信息,还写了三个类,每个类里面都有很详细的对应。而Class类本身就维持这三个对象的引用(对象数组形式!因为一个类可能有多个方法,所以Class要用Method[] methods保存)。

原本UserController类中所有信息,都被“解构”后保存在Class类中。其中,字段、方法、构造器又用Field、Method等对象单独表示。

大概了解完Class类的字段后,我们来看看Class类的方法。


  • 构造器

可以发现,Class类的构造器是私有的,我们无法手动new一个Class对象,只能由JVM创建。JVM在构造Class对象时,需要传入一个类加载器,然后才有我们上面分析的一连串加载、创建过程。


  • Class.forName()方法

反正还是类加载器去搞呗。


  • newInstance()

也就是说,newInstance()底层就是调用无参构造对象的newInstance()。

所以,本质上Class对象要想创建实例,其实都是通过构造器对象。如果没有空参构造对象,就无法使用clazz.newInstance(),必须要获取其他有参的构造对象然后调用构造对象的newInstance()。


反射API

没啥好说的,在日常开发中反射最终目的主要两个:

  • 创建实例
  • 反射调用方法

创建实例的难点在于,很多人不知道clazz.newInstance()底层还是调用Contructor对象的newInstance()。所以,要想调用clazz.newInstance(),必须保证编写类的时候有个无参构造。


反射调用方法的难点,有两个,初学者可能会不理解。

再此之前,先来理清楚Class、Field、Method、Constructor四个对象的关系:

Field、Method、Constructor对象内部有对字段、方法、构造器更详细的描述:

OK,理清关系后我们继续来看看反射调用方法时的两个难点。


  • 难点一:为什么根据Class对象获取Method时,需要传入方法名+参数的Class类型

为什么要传name和ParameterType?

因为.class文件中有多个方法,比如

所以必须传入name,以方法名区分哪个方法,得到对应的Method。

那参数parameterTypes为什么要用Class类型,我想和调用方法时一样直接传变量名不行吗,比如userName, age。

答案是:我们无法根据变量名区分方法

User getUser(String userName, int age);
User getUser(String mingzi, int nianling);

这不叫重载,这就是同一个方法。只能根据参数类型。

我知道,你还会问:变量名不行,那我能不能传String, int。

不好意思,这些都是基本类型和引用类型,类型不能用来传递。我们能传递的要么值,要么对象(引用)。而String.class, int.class是对象,且是Class对象。

实际上,调用Class对象的getMethod()方法时,内部会循环遍历所有Method,然后根据方法名和参数类型匹配唯一的Method返回。

循环遍历所有Method,根据name和parameterType匹配


难点二:调用method.invoke(obj, args);时为什么要传入一个目标对象?

上面分析过,.class文件通过IO被加载到内存后,JDK创造了至少四个对象:Class、Field、Method、Constructor,这些对象其实都是0101010的抽象表示。

以Method对象为例,它到底是什么,怎么来的?我们上面已经分析过,Method对象有好多字段,比如name(方法名),returnType(返回值类型)等。也就是说我们在.java文件中写的方法,被“解构”以后存入了Method对象中。所以对象本身是一个方法的映射,一个方法对应一个Method对象。

我在专栏的另一篇文章中讲过,对象的本质就是用来存储数据的。而方法作为一种行为描述,是所有对象共有的,不属于某个对象独有。比如现有两个Person实例

Person p1 = new Person();
Person p2 = new Person();

对象 p1保存了"hst"和18,p2保存了"cxy"和20。但是不管是p1还是p2,都会有changeUser(),但是每个对象里面写一份太浪费。既然是共性行为,可以抽取出来,放在方法区共用。

但这又产生了一个棘手的问题,方法是共用的,JVM如何保证p1调用changeUser()时,changeUser()不会跑去把p2的数据改掉呢?

所以JVM设置了一种隐性机制,每次对象调用方法时,都会隐性传递当前调用该方法的对象参数,方法可以根据这个对象参数知道当前调用本方法的是哪个对象!

同样的,在反射调用方法时,本质还是希望方法处理数据,所以必须告诉它执行哪个对象的数据。

所以,把Method理解为方法执行指令吧,它更像是一个方法执行器,必须告诉它要执行的对象(数据)。

当然,如果是invoke一个静态方法,不需要传入具体的对象。因为静态方法并不能处理对象中保存的数据。

2019-5-24 18:00:00

编辑于 03-08

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