JVM에서 Java 리플렉션 구현

1. 자바 리플렉션이란 무엇이며 어떤 용도로 사용되나요?

Reflection을 사용하면 프로그램 코드가 JVM에 로드된 클래스의 내부 정보에 액세스할 수 있으므로 소스 코드에서 선택한 클래스 대신 코드를 작성하고 실행할 수 있으므로 개발 효율성이 운영 효율성을 의미합니다. 이는 리플렉션을 유연한 애플리케이션을 구축하기 위한 기본 도구로 만듭니다.

반사 가능:

흑인 기술을 달성하기 위해 몇 가지 비공개 방법을 호출합니다. 예를 들어 듀얼 SIM 문자 메시지 보내기, 상태 표시줄 색상 설정, 전화 자동 끊기 등이 있습니다.

PO의 ORM, Json 구문 분석 등 직렬화 및 역직렬화를 구현합니다.

JDK에서 SocketImpl 구현과 같은 플랫폼 간 호환성을 달성합니다.

xml 또는 주석을 통해 DI(종속성 주입), 주석 처리, 동적 프록시, 단위 테스트 및 기타 기능을 달성합니다. 예를 들어 Retrofit, Spring 또는 Dagger

2. Java Class 파일의 구조

*.class 파일에는 Class가 Byte 스트림 형태로 저장됩니다. , 일련의 로드 및 구문 분석을 통해 Java 코드는 실제로 아래 그림의 구조에 매핑될 수 있으며,

javap

명령 또는 IDE 플러그인을 사용하여 여기에서 볼 수 있습니다.

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;

상수 풀: C의 DATA 세그먼트 및 BSS 세그먼트와 유사하며 상수, 문자열, 메소드 이름 및 기타 값 또는 기호를 제공합니다(오프셋 정의로 간주할 수 있음). 값에 대한 포인터 저장)

access_flags: 클래스의 플래그 수정

 typedef enum {
      ACC_PUBLIC = 0x0001,
      ACC_FINAL = 0x0010,
      ACC_SUPER = 0x0020,
      ACC_INTERFACE = 0x0200,
      ACC_ACSTRACT = 0x0400
  }AccessFlag

이 클래스/수퍼 클래스/인터페이스: 상수 풀을 가리키는 길이가 u2인 포인터 링크의 실제 주소는 링크 단계에서 참조 취소됩니다.

filed: 필드 정보, 구조는 다음과 같습니다

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: 설명자, access_flags, 코드 및 기타 인덱스를 제공하고 상수 풀을 가리킵니다.

it Step의 구조

첫 번째 단계는 ClassLoader

를 통해 읽고 연결하는 것입니다. 두 번째 단계는 Class의

 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];
  }

를 초기화하는 것입니다.

3.1. Classloader 로딩 과정

ClassLoader는 순수 Java 또는 Native로 구현 가능한 Class를 로딩, 연결, 캐시하는데 사용됩니다. JVM의 네이티브 코드에서 ClassLoader는 디코딩된 클래스 바이트 스트림을 캐시하는 데 사용되는 스레드로부터 안전한

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

를 내부적으로 유지 관리합니다. HashTable에 이미 캐시가 있는 경우 캐시가 직접 반환됩니다. 그렇지 않으면 클래스 이름을 얻은 후 파일과 네트워크에서 클래스 바이트 스트림을 읽어 JVM의 기본 C 구조로 역직렬화한 다음 메모리를 malloc하고 HashTable에 포인터를 캐시합니다.

다음은 배열이 아닌 상황에서 ClassLoader의 프로세스입니다.

찾기/로드: 파일을 C 구조로 역직렬화합니다.

클래스 역직렬화 프로세스

링크: 클래스 구조 상수 풀에 따라 기호를 역참조합니다. 예를 들어 객체 계산 메모리 공간, 메소드 테이블 생성, 네이티브 호출자, 인터페이스 메소드 테이블, 종료자 함수 등이 있습니다.



3.2. 초기화 과정
ClassLoader가 클래스 로딩을 마치면 클래스가 초기화됩니다. 주로

<clinit>()

의 정적 코드 세그먼트와 정적 변수를 실행합니다(소스 코드 시퀀스에 따라 다름).

HashTable<String,Class>

rrree

초기화 완료 후 Object

<clinit()>

를 생성하는 작업이므로 이 글에서는 다루지 않겠습니다.

4. 네이티브에서 리플렉션 구현

리플렉션은 Java에서 직접 호출할 수도 있지만 최종 호출은 여전히 ​​네이티브 방식으로 구현됩니다. 반사 작업.

4.1 Class.forName 구현

Class.forName은

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
  }
}

와 같은 패키지 이름을 통해 Class 객체를 찾을 수 있습니다.

JDK 소스 코드 구현에서는 최종적으로 네이티브 메소드

具体参考如下：

When and how a Java class is loaded and initialized?

The Lifetime of a Type

가 호출되는 것을 알 수 있습니다. JVM에서 실제로 호출하는 것은

<init>

입니다. ClassLoader의 프로세스와 동일합니다. 구체적인 구현은 위에서 소개되었습니다.

4.2. getDeclaredFields 구현

JDK 소스 코드를 보면

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

메소드가 실제로 네이티브 메소드

를 호출하는 것을 알 수 있습니다.

forName0()

JVM의 주요 구현 단계는 다음과 같습니다.

클래스 구조 정보에 따라

findClassFromClassLoader()

및

class.getDeclaredFields()

필드를 가져옵니다.

getDeclaredFields0()

의 크기에 따라 메모리를 할당하고 배열을 생성합니다. 배열에서 forEach 루프를 수행하고 객체를 생성합니다.

field_count

배열 포인터 반환

fields[]

의 정보를 통해 순서대로 개체를 구현합니다. .invoke

다음은 동기화 및 예외가 없는 경우

Create Frame

객체 플래그가 네이티브인 경우 처리를 위해 Native_handler에 넘겨줍니다

프레임 내 자바 코드 실행

프레임 팝업

실행 결과 포인터 반환

field_count

4.4.class.newInstance 구현

권한 감지, 공간 크기 및 기타 매개변수 사전 할당

객체 객체 생성 및 공간 할당

생성자 호출 Method.invoke를 통해 (

fields[]

)

객체 포인터 반환

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

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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