反射必杀技:深入了解Class类,让你一通百通

1. Class 类的原理

孟子曰:得人心者得天下。而在 Java 中,这个「人心」就是 Class 类,获取到 Class 类我们就可以为所欲为之为所欲为。下面让我们深入「人心」,去探索 Class 类的原理。

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首先了解 JVM 如何构建实例。

1.1 JVM 构建实例

JVM:Java Virtual Machine,Java 虚拟机。在 JVM 中分为栈、堆、方法区等,但这些都是 JVM 内存,文中所描述的内存指的就是 JVM 内存。.class 文件是字节码文件,是通过 .java 文件编译得来的。

知道上面这些内容,我们开始创建实例。我们以创建 Person 对象举例:

Person p = new Person()

简简单单通过 new 就创建了对象,那流程是什么样的呢?见下图

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这也太粗糙了一些,那在精致一下吧。

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同志们发现没有,其实这里还是有些区别的,我告诉你区别是下面的字比上面多,你会打我不(别打我脸)。

粗糙的那个是通过 new 创建的对象,而精致的是通过 ClassLoader 操作 .class 文件生成 Class 类,然后创建的对象。

其实通过 new 或者反射创建实例,都需要 Class 对象。

1.2 .class 文件

.class 文件在文章开头讲过,是字节码文件。.java 是源程序。Java 程序是跨平台的,一次编译到处执行,而编译就是从源文件转换成字节码文件。

字节码无非就是由 0 和 1 构成的文件。

有如下一个类:

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通过 vim 查看一下字节码文件:

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这啥玩意,看不懂。咱也不需要看懂,反正 JVM 对 .class 文件有它自己的读取规则。

1.3 类加载器

还记得上面的精致图中,我们知道是通过类加载器把 .class 文件加载到内存中。具体的类加载器内容,我会另写一篇文章讲解(写完链接会更新到这里)。但是核心方法就是 loadClass(),只需要告诉它要加载的 name,它就会帮你加载:

protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 1.检查类是否已经加载
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                // 2.尚未加载,遵循父优先的等级加载机制(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) {
                // 3.如果还没有加载成功,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;
    }
}

// 需要重写该方法,默认就是抛出异常
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

类加载器加载 .class 文件主要分位三个步骤

  1. 检查类是否已经加载,如果有就直接返回
  2. 当前不存在该类,遵循双亲委派机制,加载 .class 文件
  3. 上面两步都失败,调用 findClass()

因为 ClassLoader 的 findClass 方法默认抛出异常,需要我们写一个子类重新覆盖它,比如:

    @Override
    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            // 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 (null == datas){
                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){
            throw new ClassNotFoundException("类没有找到:" + name);
        }
    }

    private byte[] getClassData(String name) {
        return byte[] datas;
    }

defineClass 是通过字节码获取 Class 的方法,是 ClassLoader 定义的。我们具体不知道如何实现的,因为最终会调用一个 native 方法:

    private native Class defineClass0(String name, byte[] b, int off, int len,
                                         ProtectionDomain pd);

    private native Class defineClass1(String name, byte[] b, int off, int len,
                                         ProtectionDomain pd, String source);

    private native Class defineClass2(String name, java.nio.ByteBuffer b,
                                         int off, int len, ProtectionDomain pd,
                                         String source);

总结下类加载器加载 .class 文件的步骤:

  • 通过 ClassLoader 类中 loadClass() 方法获取 Class
  • 从缓存中查找,直接返回
  • 缓存中不存在,通过双亲委派机制加载
  • 上面两步都失败,调用 findClass()
    • 通过 IO 流从指定位置获取到 .class 文件得到字节数组
    • 调用类加载器 defineClass() 方法,由字节数组得到 Class 对象

1.4 Class 类

.class 文件已经被类加载器加载到内存中并生成字节数组,JVM 根据字节数组创建了对应的 Class 对象。

接下来我们来分析下 Class 对象。

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我们知道 Java 的对象会有下面的信息:

  1. 权限修饰符
  2. 类名和泛型信息
  3. 接口
  4. 实体
  5. 注解
  6. 构造函数
  7. 方法

这些信息在 .class 文件以 0101 表示,最后 JVM 会把 .class 文件的信息通过它的方式保存到 Class 中。

在 Class 中肯定有保存这些信息的字段,我们来看一下:

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Class 类中用 ReflectionData 里面的字段来与 .class 的内容映射,分别映射了字段、方法、构造器和接口。

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通过 annotaionData 映射了注解数据,其它的就不展示了,大家可以自行打开 IDEA 查看下 Class 的源码。

那我们看看 Class 类的方法

1.4.1 构造器

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Class 类的构造器是私有的,只能通过 JVM 创建 Class 对象。所以就有了上面通过类加载器获取 Class 对象的过程。

1.4.2 Class.forName

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Class.forName() 方法还是通过类加载器获取 Class 对象。

1.4.3 newInstance

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newInstance() 的底层是返回无参构造函数。

2. 总结

我们来梳理下前面的知识点:

反射的关键点就是获取 Class 类,那系统是如何获取到 Class 类?

是通过类加载器 ClassLoader 将 .class 文件通过字节数组的方式加载到 JVM 中,JVM 将字节数组转换成 Class 对象。那类加载器是如何加载的呢?

  • 通过 ClassLoader 的 loadClass() 方法
  • 从缓存中查找,直接返回
  • 缓存中不存在,通过双亲委派机制加载
  • 上面两步都失败,调用 findClass()
    • 通过 IO 流从指定位置获取到 .class 文件得到字节数组
    • 调用类加载器 defineClass() 方法,由字节数组得到 Class 对象

Class 类的构造器是私有的,所以需要通过 JVM 获取 Class

Class.forName() 也是通过类加载器获取的 Class 对象。newInstance 方法的底层也是返回的无参构造函数。


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