Spring 中的反射与反射的原理

作者：DeppWang、原文地址

在造轮子：实现一个简易的 Spring IoC 容器一文中提到 Spring 在创建 Bean 实例和依赖注入时使用了反射，本文来具体分析一下 Spring 中的反射以及反射的原理。

一、Spring 中的反射

1.1、创建 Bean 实例时的反射

// 通过类加载器，根据 class 路径，得到其类对象
Class<?> clz = Thread.currentThread().getContextClassLoader().loadClass("org.deppwang.litespring.v1.service.PetStoreService");
// 根据类对象生成 Bean 实例
return clz.newInstance();

反射体现在 clz.newInstance(); 中，核心代码可分为两部分：

1、利用反射获取当前类 PetStoreService 的所有构造方法信息（Constructor 对象）

// java.lang.Class.java
// 调用 native 方法，此时 publicOnly 为 false
res = getDeclaredConstructors0(publicOnly);
// native 方法，从 jvm 中的 class 文件中获取构造方法信息，再转换为 Constructor 对象
private native Constructor<T>[] getDeclaredConstructors0(boolean publicOnly);

2、利用反射通过默认构造方法生成实例

// sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl.java
// 调用 native 方法，var1 代表构造方法的参数，此时为 null
return newInstance0(this.c, var1);
// native 方法，真正生成实例的方法，执行 class 文件的构造方法 <init>
private static native Object newInstance0(Constructor<?> var0, Object[] var1);

1.2、构造方法依赖注入时的反射

// 通过反射获取当前类所有的构造方法信息（Constructor 对象）
Constructor<?>[] candidates = beanClass.getDeclaredConstructors();
// 设置构造方法参数实例
Object[] argsToUse = new Object[parameterTypes.length];
argsToUse[i] = getBean(beanNames.get(i));
// 使用带有参数的 Constructor 对象实现实例化 Bean。此时使用反射跟上面一样（newInstance0），只是多了参数
return constructorToUse.newInstance(argsToUse);

1.3、setter() 方法依赖注入时的反射

// 通过反射获取当前类所有的方法信息（Method 对象）
Method[] methods = bean.getClass().getDeclaredMethods();
// 获得方法参数实例
Object propertyBean = getBean(propertyName);
// 通过反射执行调用 setter() 方法。invoke：调用方法，propertyBean 作为方法的参数
method.invoke(bean, propertyBean);

bean.getClass().getDeclaredMethods(); 中的核心代码：

// java.lang.Class.java
// 调用 native 方法，publicOnly 为 false
getDeclaredMethods0(publicOnly);
// native 方法，从 jvm 中的 class 文件中获取方法信息，再转换为 Method
private native Method[]      getDeclaredMethods0(boolean publicOnly);

method.invoke(bean, propertyBean); 中的核心代码：

// sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.java
// 调用 native 方法，var1: bean、var2: propertyBean
return invoke0(this.method, var1, var2);
// native 方法，运行 class 文件中的字节码指令
private static native Object invoke0(Method var0, Object var1, Object[] var2);

1.4、@Autowired 依赖注入时的反射

// 通过反射得到当前类所有的字段信息（Field 对象）
Field[] fields = bean.getClass().getDeclaredFields();
// 判断字段是否有 @Autowired 注解
Annotation ann = field.getAnnotation(Autowired.class);
// 设置字段可连接，相当于将非 public（private、default、protect）更改为 public
field.setAccessible(true);
// 通过反射设置字段的值
field.set(bean, getBean(field.getName()));

bean.getClass().getDeclaredFields(); 中的核心代码：

// java.lang.Class.java
// 调用 native 方法，此时 publicOnly 为 false
getDeclaredFields0(publicOnly);
// native 方法，从 jvm 中获取 class 文件的字段信息，再转换为 Field
private native Field[]       getDeclaredFields0(boolean publicOnly);

field.set(bean, getBean(field.getName())); 中的核心代码：

// sun.reflect.UnsafeObjectFieldAccessorImpl.java
// 调用 native 方法，将目标对象 var1 指定偏移量 fieldOffset 处的字段值设置（修改）为 var2。var1 为 bean, var2 为参数实例
unsafe.putObject(var1, this.fieldOffset, var2);

// sun.misc.Unsafe.java
// native 方法，直接修改堆中对象字段的数据
public native void putObject(Object var1, long var2, Object var4);

二、class 文件与类对象

class 文件由 java 文件编译而来，class 文件包含字段表、方法表、<init> 方法（构造方法）等。

当类加载器将 class 文件加载进虚拟机元空间（Meta-space，jdk 1.8）时，虚拟机在元空间中创建一个与之对应的类对象（Class 实例）。并将 class 文件由存放在磁盘的静态结构转换为存放在内存的运行时结构。

我们可以认为一个类（class 文件）对应一个类对象，当前类的所有对象共用一个类对象。类对象作为访问存放在 jvm 的 class 文件的入口。

package java.lang;
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Constructor;

public final class Class<T> {
    private native Field[]       getDeclaredFields0(boolean publicOnly);
    private native Method[]      getDeclaredMethods0(boolean publicOnly);
    private native Constructor<T>[] getDeclaredConstructors0(boolean publicOnly);

    // ReflectionData 缓存反射对象
    private static class ReflectionData<T> {
        volatile Field[] declaredFields;
        volatile Field[] publicFields;
        volatile Method[] declaredMethods;
        volatile Method[] publicMethods;
        volatile Constructor<T>[] declaredConstructors;
        volatile Constructor<T>[] publicConstructors;
        ...
    }
}

2.1、获得类对象的方式

// 1、通过对象
Class cls = object.getClass();
// Object.java
public final native Class<?> getClass();

// 2、通过类加载器
Class cls = Thread.currentThread().getContextClassLoader().loadClass("org.deppwang.litespring.v1.service.PetStoreService");

// 3、通过 Class 类，本质上也是通过类加载器
Class cls = Class.forName("org.deppwang.litespring.v1.service.PetStoreService");
// Class.java
private static native Class<?> forName0(String name, boolean initialize,
                                            ClassLoader loader,
                                            Class<?> caller)

三、反射方法

以下是常用的反射方法。

3.1、Feild 相关

Field[] fields = cls.getFields(); // 获取所有公共的 Field（包括父类）
Field[] fields = cls.getDeclaredFields(); // 获取当前类的所有 Field（不包括父类），包括公共和非公共
Field field = cls.getDeclaredField("fieldName"); // 指定获取当前类某个 Field
field.set(Object, Object); // 设置（修改）字段值
field.get(Object); // 获取字段值

field.get(Object) 核心代码：

// 调用 native 方法，获取字段对应的值
return unsafe.getObject(var1, this.fieldOffset);

// native 方法，从堆中获取对象指定位置的对象
public native Object getObject(Object var1, long var2);

3.2、Method 相关

Method[] methods = cls.getMethods(); // 获取所有公共的 Method（包括父类）
Method[] methods = cls.getDeclaredMethods(); // 获取当前类的所有 Method（不包括父类），包括公共和非公共
method.invoke(Object instance, Object... parameters); // 运行方法

运行方法使用场景：要么是修改对象的数据，如 void setter() 方法；要么是获得执行方法的返回结果。

String result = method.invoke().toString();

3.3、Constructor 相关

Constructor<?>[] constructors = cls.getConstructors(); // 获取所有公共的 Constructor（包括父类）
Constructor<?>[] constructors = cls.getDeclaredConstructors(); // 获取当前类的所有Constructor（不包括父类），包括公共和非公共
constructor.newInstance(Object... parameters); // 运行构造方法

当没有明确编写构造方法，Java 编译器将为该类构建一个默认构造函数 <init>

四、native 方法

Java 1.1 新增「Java 本地接口」(Java Native Interface，JNI)，JNI 是一种包容极广的编程接口，允许我们从 Java 应用程序里调用 native 方法，native 方法由其它语言（C 、C++ 或汇编语言等）编写。native 方法用于实现 Java 无法处理的功能。

4.1、简单示例

一个在 Java 中使用 Java 本地接口（JNI）的简单示例。

• 环境：jdk8、macOS 10.15

// Main.java
public class Main {
    public native int intMethod(int i);
    static {
        // 启动时载入 libMain.dylib
        System.loadLibrary("Main");
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(new Main().intMethod(2));
    }
}

// Main.c:
// 将 Main.h 引入
#include "Main.h"

// 相当于继承 "Main.h" 的 Java_Main_intMethod
JNIEXPORT jint JNICALL Java_Main_intMethod(
    JNIEnv *env, jobject obj, jint i)
{
    return i * i;
}

编译与运行:

// 同时生成 Main.class 和 Main.h
javac Main.java -h .
// 根据 Main.c 生成 libMain.dylib
gcc -dynamiclib -O3 \
    -I/usr/include \
    -I$JAVA_HOME/include \
    -I$JAVA_HOME/include/darwin \
    Main.c -o libMain.dylib
// 指定 library 的路径为当前路径
java -cp . -Djava.library.path=$(pwd) Main

输出:

4

/* Main.h .h 作为头文件*/
/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class Main */

#ifndef _Included_Main
#define _Included_Main
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     Main
 * Method:    intMethod
 * Signature: (I)I
 */
JNIEXPORT jint JNICALL Java_Main_intMethod
  (JNIEnv *, jobject, jint);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

javac Main.java -h .
// 可拆分为两个命令
javac Main.java
javah -jni Main

4.2、原理

运行 Main.class 时，将 libMain.dylib 载入虚拟机，JVM 调用 libMain.dylib 的 Java_Main_intMethod，传入参数，libMain.dylib 由系统直接运行，返回结果。

• *env 用于将 java 类型数据与本地（此处为 C 语言）类型数据之间的转换
• jint 还是 Java 数据类型，Java 基本数据类型可以映射（使用），不用通过 *env 转换

/*C code*/
JNIEXPORT void JNICALL Java_ClassName_MethodName
  (JNIEnv *env, jobject obj, jstring javaString)
{
    /*Get the native string from javaString*/
    const char *nativeString = (*env)->GetStringUTFChars(env, javaString, 0);

    /*Do something with the nativeString*/

    /*DON'T FORGET THIS LINE!!!*/
    (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, javaString, nativeString);
}

4.3、参考

• A Simple Java Native Interface (JNI) example in Java and Scala
• Java native keyword example
• Java Native Interface: JNI Example
• Java 编程思想 - 附录A 使用非JAVA代码
• Java本地接口 - WiKi

五、总结

反射反射，哪里体现反射字面意思？

可以这么理解，通过 native 方法得到反射对象，操作反射对象，像镜子一样，将反射到原对象上。

我们发现，反射和 native 方法的关系：

• 获取字段、方法、构造方法对象，native() 方法实现
• 获取字段值、设置修改字段值，native() 方法实现
• 运行方法，native() 方法实现
• 运行构造方法，native() 方法实现

我们可以得出结论，反射由 native 方法实现。

我们说通过反射实现一个功能，我们也可以说：

• 通过反射方法实现
• 通过反射 API 实现
• 通过 native 方法实现

反射是一种非常规（native 方法实现）方式获取 class 文件信息、运行 class 文件字节码指令和操作对象数据的能力。

一句话总结 ：反射是一种运行时获取和修改对象数据的能力。

关于运行时：Java 是静态语言，先编译，后运行。编译时不执行代码，代码都是运行时执行。

六、延伸阅读

• JAVA 反射原理
• 廖雪峰 Java 教程 - 反射
• Reflection in Java
• oracle reflect docs
• What is reflection and why is it useful?
• Understanding sun.misc.Unsafe
• Guide to sun.misc.Unsafe