Java反射源碼學(xué)習(xí)之旅

這篇具有很好參考價(jià)值的文章主要介紹了Java反射源碼學(xué)習(xí)之旅。希望對(duì)大家有所幫助。如果存在錯(cuò)誤或未考慮完全的地方，請(qǐng)大家不吝賜教，您也可以點(diǎn)擊"舉報(bào)違法"按鈕提交疑問(wèn)。

1 背景

前段時(shí)間組內(nèi)針對(duì)“拷貝實(shí)例屬性是應(yīng)該用BeanUtils.copyProperties（）還是MapStruct”這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了一次激烈的battle。支持MapStruct的同學(xué)給出了他嫌棄BeanUtils的理由：因?yàn)橛昧朔瓷洌月?/p>

這個(gè)理由一下子拉回了我遙遠(yuǎn)的記憶，在我剛開(kāi)始了解反射這個(gè)Java特性的時(shí)候，幾乎看到的每一篇文章都會(huì)有“Java反射不能頻繁使用”、“反射影響性能”之類(lèi)的話語(yǔ)，當(dāng)時(shí)只是當(dāng)一個(gè)結(jié)論記下了這些話，卻沒(méi)有深究過(guò)為什么，所以正好借此機(jī)會(huì)來(lái)探究一下Java反射的代碼。

2 反射包結(jié)構(gòu)梳理

反射相關(guān)的代碼主要在jdk rt.jar下的java.lang.reflect包下，還有一些相關(guān)類(lèi)在其他包路徑下，這里先按下不表。按照繼承和實(shí)現(xiàn)的關(guān)系先簡(jiǎn)單劃分下java.lang.reflect包：

① Constructor、Method、Field三個(gè)類(lèi)型分別可以描述實(shí)例的構(gòu)造方法、普通方法和字段。三種類(lèi)型都直接或間接繼承了AccessibleObject這個(gè)類(lèi)型，此類(lèi)型里主要定義兩種方法，一種是通用的、對(duì)訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行處理的方法，第二種是可供繼承重寫(xiě)的、與注解相關(guān)的方法。

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② 只看選中的五種類(lèi)型，我們平常所用到的普通類(lèi)型，譬如Integer、String，又或者是我們自定義的類(lèi)型，都可以用Class類(lèi)型的實(shí)例來(lái)表示。Java引入泛型之后，在JDK1.5中擴(kuò)充了其他四種類(lèi)型，用于泛型的表示。分別是ParameterizedType(參數(shù)化類(lèi)型)、WildcardType（通配符類(lèi)型）、TypeVariable（類(lèi)型變量）、GenericArrayType（泛型數(shù)組）。

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③ 與②中描述的五種基本類(lèi)型對(duì)應(yīng)，下圖這五個(gè)接口/類(lèi)分別用來(lái)表示五種基本類(lèi)型的注解相關(guān)數(shù)據(jù)。

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④ 下圖為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)代理的相關(guān)類(lèi)與接口。java.lang.reflect.Proxy主要是利用反射的一些方法獲取代理類(lèi)的類(lèi)對(duì)象，獲取其構(gòu)造方法，由此構(gòu)造出一個(gè)實(shí)例。

java.lang.reflect.InvocationHandler是代理類(lèi)需要實(shí)現(xiàn)的接口，由代理類(lèi)實(shí)現(xiàn)接口內(nèi)的invoke方法，此方法會(huì)負(fù)責(zé)代理流程和被代理流程的執(zhí)行順序組織。

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3 目標(biāo)類(lèi)實(shí)例的構(gòu)造源碼

以String類(lèi)的對(duì)象實(shí)例化為例，看一下反射是如何進(jìn)行對(duì)象實(shí)例化的。

Class<?> clz = Class.forName("java.lang.String");
String s  =(String)clz.newInstance();

Class對(duì)象的構(gòu)造由native方法完成，以java.lang.String類(lèi)為例，先看看構(gòu)造好的Class對(duì)象都有哪些屬性：

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可以看到目前只有name一個(gè)屬性有值，其余屬性暫時(shí)都是null或者默認(rèn)值的狀態(tài)。
下圖是 clz.newInstance() 方法邏輯的流程圖，接下來(lái)對(duì)其中主要的兩個(gè)方法進(jìn)行說(shuō)明：

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從上圖可以看出整個(gè)流程有兩個(gè)核心部分。因?yàn)橥ǔＧ闆r下，對(duì)象的構(gòu)造都需要依靠類(lèi)里的構(gòu)造方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以第一部分就是拿到目標(biāo)類(lèi)對(duì)應(yīng)的Constructor對(duì)象；第二部分就是利用Constructor對(duì)象，構(gòu)造目標(biāo)類(lèi)的實(shí)例。

3.1 獲取Constructor對(duì)象

首先上一張Constructor對(duì)象的屬性圖：

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java.lang.Class#getConstructor0

此方法中主要做的工作是首先拿到目標(biāo)類(lèi)的Constructor實(shí)例數(shù)組(主要由native方法實(shí)現(xiàn))，數(shù)組里每一個(gè)對(duì)象都代表了目標(biāo)類(lèi)的一個(gè)構(gòu)造方法。然后對(duì)數(shù)組進(jìn)行遍歷，根據(jù)方法入?yún)⑻峁┑膒arameterTypes,找到符合的Constructor對(duì)象，然后重新創(chuàng)造一個(gè)Constructor對(duì)象，屬性值與原Constructor一致（稱(chēng)為副本Constructor），并且副本Constructor的屬性 root 指向源Constructor，相當(dāng)于對(duì)源Constructor對(duì)象進(jìn)行了一層封裝。

由于在getConstructor0()方法將返回值返回給調(diào)用方之后，調(diào)用方在后續(xù)的流程里進(jìn)行了constructor.setAccesssible(true)的操作，這個(gè)方法的作用是關(guān)閉對(duì)constructor這個(gè)對(duì)象訪問(wèn)時(shí)的Java語(yǔ)言訪問(wèn)檢查。語(yǔ)言訪問(wèn)檢查是個(gè)耗時(shí)的操作，所以合理猜測(cè)是為了提高反射性能關(guān)閉了這個(gè)檢查，又出于安全考慮，所以將最原始的對(duì)象進(jìn)行了封裝。

private Constructor<T> getConstructor0(Class<?>[] parameterTypes,
                                    int which) throws NoSuchMethodException
{
//1、拿到Constructor實(shí)例數(shù)組并進(jìn)行篩選
    Constructor<T>[] constructors = privateGetDeclaredConstructors((which == Member.PUBLIC));
 //2、通過(guò)對(duì)入?yún)⒌谋容^篩選出符合條件的Constructor
    for (Constructor<T> constructor : constructors) {
        if (arrayContentsEq(parameterTypes,
                            constructor.getParameterTypes())) {
//3、創(chuàng)建副本Constructor
            return getReflectionFactory().copyConstructor(constructor);
        }
    }
    throw new NoSuchMethodException(getName() + ".<init>" + argumentTypesToString(parameterTypes));
}

3.2 目標(biāo)類(lèi)實(shí)例的構(gòu)造

sun.reflect.ConstructorAccessor#newInstance

此方法主要是利用上一步創(chuàng)建出來(lái)的Constructor對(duì)象，進(jìn)行目標(biāo)類(lèi)實(shí)例的構(gòu)造。Java為了提高反射的性能，為類(lèi)實(shí)例的構(gòu)造提供了兩種方案，一種是虛擬機(jī)自己實(shí)現(xiàn)的native方法，一種是JDK包里的Java方法。

首先來(lái)看代碼里對(duì)ConstructorAccessor對(duì)象的構(gòu)造，通過(guò)代碼可以看出在方法newConstructorAccessor中構(gòu)造了ConstructorAccessor接口的兩個(gè)實(shí)現(xiàn)類(lèi)，兩個(gè)對(duì)象進(jìn)行了相互引用，像這樣子：

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//構(gòu)造ConstructorAccessor對(duì)象
public ConstructorAccessor newConstructorAccessor(Constructor<?> var1) {
        if (Modifier.isAbstract(var2.getModifiers())) {
      ......
        } else {
            NativeConstructorAccessorImpl var3 = new NativeConstructorAccessorImpl(var1);
            DelegatingConstructorAccessorImpl var4 = new DelegatingConstructorAccessorImpl(var3);
            var3.setParent(var4);
            return var4;
        }
    }

在調(diào)用DelegatingConstructorAccessorImpl的newInstance方法時(shí)，相當(dāng)于為NativeConstructorAccessorImpl做了一層代理，實(shí)際調(diào)用的是NativeConstructorAccessorImpl類(lèi)實(shí)現(xiàn)的方法。

 public Object newInstance(Object[] var1) throws InstantiationException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException {
        return this.delegate.newInstance(var1);
    }

newInstance方法中決定使用哪種方法的是一個(gè)名為numInvocations的int類(lèi)型的變量，每次調(diào)用到newInstance方法時(shí)，這個(gè)變量都會(huì)+1，當(dāng)變量值超過(guò)閾值（15）時(shí)，就會(huì)使用Java方式進(jìn)行目標(biāo)類(lèi)實(shí)例的創(chuàng)造，反之就會(huì)使用虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的方式進(jìn)行目標(biāo)類(lèi)實(shí)例的創(chuàng)造。

這樣做是因?yàn)镴ava版本的實(shí)現(xiàn)流程很長(zhǎng)，其中還包含了字節(jié)碼構(gòu)造的流程，所以初次構(gòu)造比較耗時(shí)，但是長(zhǎng)久來(lái)說(shuō)性能更好，而native版本是初期使用速度較塊，調(diào)用頻繁的話性能會(huì)有所下降，所以做了根據(jù)閾值來(lái)判斷使用哪個(gè)版本的設(shè)計(jì)。

    public Object newInstance(Object[] var1) throws InstantiationException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException {
        if (++this.numInvocations > ReflectionFactory.inflationThreshold() && !ReflectUtil.isVMAnonymousClass(this.c.getDeclaringClass())) {
//Java方法構(gòu)造對(duì)象
            ConstructorAccessorImpl var2 = (ConstructorAccessorImpl)(new MethodAccessorGenerator()).generateConstructor(this.c.getDeclaringClass(), this.c.getParameterTypes(), this.c.getExceptionTypes(), this.c.getModifiers());
            this.parent.setDelegate(var2);
        }
//native方法實(shí)現(xiàn)實(shí)例化
        return newInstance0(this.c, var1);
    }

重點(diǎn)關(guān)注以下Java版本的實(shí)現(xiàn)流程，首先構(gòu)造了一個(gè)ConstructorAccessorImpl類(lèi)的對(duì)象。這個(gè)對(duì)象的構(gòu)造主要是依靠在代碼里按照字節(jié)碼文件的格式構(gòu)造出來(lái)一個(gè)字節(jié)數(shù)組實(shí)現(xiàn)的。首先創(chuàng)建了一個(gè)ByteVactor接口的實(shí)現(xiàn)類(lèi)對(duì)象，此類(lèi)有兩個(gè)屬性，一個(gè)字節(jié)數(shù)組，一個(gè)int類(lèi)型的數(shù)用來(lái)標(biāo)識(shí)位置。ClassFileAssembler類(lèi)主要負(fù)責(zé)把各類(lèi)值轉(zhuǎn)化成字節(jié)碼的格式然后填充到ByteVactor的實(shí)現(xiàn)類(lèi)對(duì)象里。最后由ClassDefiner.defineClass方法對(duì)字節(jié)碼數(shù)組進(jìn)行處理，構(gòu)造出ConstructorAccessorImpl對(duì)象。最后ConstructorAccessorImpl實(shí)例還是會(huì)被傳給newInstance0()這個(gè)native方法，以此來(lái)構(gòu)造最終的目標(biāo)類(lèi)實(shí)例

private MagicAccessorImpl generate(final Class<?> var1, String var2, Class<?>[] var3, Class<?> var4, Class<?>[] var5, int var6, boolean var7, boolean var8, Class<?> var9) {
 //創(chuàng)建ByteVectorImpl對(duì)象
 ByteVector var10 = ByteVectorFactory.create();
 //創(chuàng)建ClassFileAssembler對(duì)象
    this.asm = new ClassFileAssembler(var10);
......
        var10.trim();
//拿出構(gòu)造好的字節(jié)數(shù)組（就是字節(jié)碼文件的格式）
        final byte[] var17 = var10.getData();
        return (MagicAccessorImpl)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<MagicAccessorImpl>() {
            public MagicAccessorImpl run() {
                try {
//調(diào)用native方法，創(chuàng)建ConstructorAccessorImpl類(lèi)的實(shí)例
//最后ConstructorAccessorImpl實(shí)例還是會(huì)被傳給newInstance0()這個(gè)native方法，以此來(lái)構(gòu)造最終的目標(biāo)類(lèi)實(shí)例
                    return (MagicAccessorImpl)ClassDefiner.defineClass(var13, var17, 0, var17.length, var1.getClassLoader()).newInstance();
                } catch (IllegalAccessException | InstantiationException var2) {
                    throw new InternalError(var2);
                }
            }
        });
    }
}

4 小結(jié)

最后根據(jù)上述學(xué)習(xí)思考下Java反射到底慢不慢這個(gè)問(wèn)題。首先可以看到JDK為“反射時(shí)創(chuàng)建對(duì)象的過(guò)程”提供了兩套實(shí)現(xiàn)，native版本更快但是也使得JVM無(wú)法對(duì)其進(jìn)行一些優(yōu)化（譬如JIT的方法內(nèi)聯(lián)），當(dāng)方法成為熱點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)用Java版本來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)則優(yōu)化了這個(gè)問(wèn)題。但Java版本的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要?jiǎng)討B(tài)生成字節(jié)碼，還要加載一些額外的類(lèi)，造成了內(nèi)存的消耗，所以使用反射的時(shí)候還是應(yīng)當(dāng)注意一些是否會(huì)因?yàn)槭褂眠^(guò)多而造成內(nèi)存溢出。

一次不成熟的源碼學(xué)習(xí)歷程，如有錯(cuò)誤還請(qǐng)指正。

參考資料：
https://rednaxelafx.iteye.com/blog/548536