Java - 反射获取类实例

xhz

反射获取类实例首先调用了 java.lang.Class 的静态方法，获取类信息。

   @CallerSensitive
    public static Class<?> forName(String className)
                throws ClassNotFoundException {
        // 先通过反射，获取调用进来的类信息，从而获取当前的 classLoader
        Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
        // 调用native方法进行获取class信息
        return forName0(className, true, ClassLoader.getClassLoader(caller), caller);
    }

forName()反射获取类信息，并没有将实现留给了java,而是交给了jvm去加载。
主要是先获取 ClassLoader, 然后调用 native 方法，获取信息，加载类则是回调 java.lang.ClassLoader.
最后，jvm又会回调 ClassLoader 进类加载。

    //
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
    }
   
        // sun.misc.Launcher
        public Class<?> loadClass(String var1, boolean var2) throws ClassNotFoundException {
            int var3 = var1.lastIndexOf(46);
            if(var3 != -1) {
                SecurityManager var4 = System.getSecurityManager();
                if(var4 != null) {
                    var4.checkPackageAccess(var1.substring(0, var3));
                }
            }

            if(this.ucp.knownToNotExist(var1)) {
                Class var5 = this.findLoadedClass(var1);
                if(var5 != null) {
                    if(var2) {
                        this.resolveClass(var5);
                    }

                    return var5;
                } else {
                    throw new ClassNotFoundException(var1);
                }
            } else {
                return super.loadClass(var1, var2);
            }
        }
    // java.lang.ClassLoader
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        // 先获取锁
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            // 如果已经加载了的话，就不用再加载了
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    // 双亲委托加载
                    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
                }

                // 父类没有加载到时，再自己加载
                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    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;
        }
    }
   
    protected Object getClassLoadingLock(String className) {
        Object lock = this;
        if (parallelLockMap != null) {
            // 使用 ConcurrentHashMap来保存锁
            Object newLock = new Object();
            lock = parallelLockMap.putIfAbsent(className, newLock);
            if (lock == null) {
                lock = newLock;
            }
        }
        return lock;
    }
   
    protected final Class<?> findLoadedClass(String name) {
        if (!checkName(name))
            return null;
        return findLoadedClass0(name);
    }

下面来看一下 newInstance() 的实现方式。

    // 首先肯定是 Class.newInstance
    @CallerSensitive
    public T newInstance()
        throws InstantiationException, IllegalAccessException
    {
        if (System.getSecurityManager() != null) {
            checkMemberAccess(Member.PUBLIC, Reflection.getCallerClass(), false);
        }

        // NOTE: the following code may not be strictly correct under
        // the current Java memory model.

        // Constructor lookup
        // newInstance() 其实相当于调用类的无参构造函数，所以，首先要找到其无参构造器
        if (cachedConstructor == null) {
            if (this == Class.class) {
                // 不允许调用 Class 的 newInstance() 方法
                throw new IllegalAccessException(
                    "Can not call newInstance() on the Class for java.lang.Class"
                );
            }
            try {
                // 获取无参构造器
                Class<?>[] empty = {};
                final Constructor<T> c = getConstructor0(empty, Member.DECLARED);
                // Disable accessibility checks on the constructor
                // since we have to do the security check here anyway
                // (the stack depth is wrong for the Constructor's
                // security check to work)
                java.security.AccessController.doPrivileged(
                    new java.security.PrivilegedAction<Void>() {
                        public Void run() {
                                c.setAccessible(true);
                                return null;
                            }
                        });
                cachedConstructor = c;
            } catch (NoSuchMethodException e) {
                throw (InstantiationException)
                    new InstantiationException(getName()).initCause(e);
            }
        }
        Constructor<T> tmpConstructor = cachedConstructor;
        // Security check (same as in java.lang.reflect.Constructor)
        int modifiers = tmpConstructor.getModifiers();
        if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(this, modifiers)) {
            Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
            if (newInstanceCallerCache != caller) {
                Reflection.ensureMemberAccess(caller, this, null, modifiers);
                newInstanceCallerCache = caller;
            }
        }
        // Run constructor
        try {
            // 调用无参构造器
            return tmpConstructor.newInstance((Object[])null);
        } catch (InvocationTargetException e) {
            Unsafe.getUnsafe().throwException(e.getTargetException());
            // Not reached
            return null;
        }
    }

newInstance() 主要做了三件事：
权限检测，如果不通过直接抛出异常；
查找无参构造器，并将其缓存起来；
调用具体方法的无参构造方法，生成实例并返回；

下面是获取构造器的过程：

    private Constructor<T> getConstructor0(Class<?>[] parameterTypes,
                                        int which) throws NoSuchMethodException
    {
        // 获取所有构造器
        Constructor<T>[] constructors = privateGetDeclaredConstructors((which == Member.PUBLIC));
        for (Constructor<T> constructor : constructors) {
            if (arrayContentsEq(parameterTypes,
                                constructor.getParameterTypes())) {
                return getReflectionFactory().copyConstructor(constructor);
            }
        }
        throw new NoSuchMethodException(getName() + ".<init>" + argumentTypesToString(parameterTypes));
    }

getConstructor0() 为获取匹配的构造方器；分三步：
先获取所有的constructors, 然后通过进行参数类型比较；
找到匹配后，通过 ReflectionFactory copy一份constructor返回；
否则抛出 NoSuchMethodException;

    // 获取当前类所有的构造方法，通过jvm或者缓存
    // Returns an array of "root" constructors. These Constructor
    // objects must NOT be propagated to the outside world, but must
    // instead be copied via ReflectionFactory.copyConstructor.
    private Constructor<T>[] privateGetDeclaredConstructors(boolean publicOnly) {
        checkInitted();
        Constructor<T>[] res;
        // 调用 reflectionData(), 获取保存的信息，使用软引用保存，从而使内存不够可以回收
        ReflectionData<T> rd = reflectionData();
        if (rd != null) {
            res = publicOnly ? rd.publicConstructors : rd.declaredConstructors;
            // 存在缓存，则直接返回
            if (res != null) return res;
        }
        // No cached value available; request value from VM
        if (isInterface()) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            Constructor<T>[] temporaryRes = (Constructor<T>[]) new Constructor<?>[0];
            res = temporaryRes;
        } else {
            // 使用native方法从jvm获取构造器
            res = getDeclaredConstructors0(publicOnly);
        }
        if (rd != null) {
            // 最后，将从jvm中读取的内容，存入缓存
            if (publicOnly) {
                rd.publicConstructors = res;
            } else {
                rd.declaredConstructors = res;
            }
        }
        return res;
    }
   
    // Lazily create and cache ReflectionData
    private ReflectionData<T> reflectionData() {
        SoftReference<ReflectionData<T>> reflectionData = this.reflectionData;
        int classRedefinedCount = this.classRedefinedCount;
        ReflectionData<T> rd;
        if (useCaches &&
            reflectionData != null &&
            (rd = reflectionData.get()) != null &&
            rd.redefinedCount == classRedefinedCount) {
            return rd;
        }
        // else no SoftReference or cleared SoftReference or stale ReflectionData
        // -> create and replace new instance
        return newReflectionData(reflectionData, classRedefinedCount);
    }
   
    // 新创建缓存，保存反射信息
    private ReflectionData<T> newReflectionData(SoftReference<ReflectionData<T>> oldReflectionData,
                                                int classRedefinedCount) {
        if (!useCaches) return null;

        // 使用cas保证更新的线程安全性，所以反射是保证线程安全的
        while (true) {
            ReflectionData<T> rd = new ReflectionData<>(classRedefinedCount);
            // try to CAS it...
            if (Atomic.casReflectionData(this, oldReflectionData, new SoftReference<>(rd))) {
                return rd;
            }
            // 先使用CAS更新，如果更新成功，则立即返回，否则测查当前已被其他线程更新的情况，如果和自己想要更新的状态一致，则也算是成功了
            oldReflectionData = this.reflectionData;
            classRedefinedCount = this.classRedefinedCount;
            if (oldReflectionData != null &&
                (rd = oldReflectionData.get()) != null &&
                rd.redefinedCount == classRedefinedCount) {
                return rd;
            }
        }
    }

如上，privateGetDeclaredConstructors(), 获取所有的构造器主要步骤；

先尝试从缓存中获取；
如果缓存没有，则从jvm中重新获取，并存入缓存，缓存使用软引用进行保存，保证内存可用；

另外，使用 relactionData() 进行缓存保存；ReflectionData 的数据结构如下。


    // reflection data that might get invalidated when JVM TI RedefineClasses() is called
    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;
        // Intermediate results for getFields and getMethods
        volatile Field[] declaredPublicFields;
        volatile Method[] declaredPublicMethods;
        volatile Class<?>[] interfaces;

        // Value of classRedefinedCount when we created this ReflectionData instance
        final int redefinedCount;

        ReflectionData(int redefinedCount) {
            this.redefinedCount = redefinedCount;
        }
    }

其中，还有一个点，就是如何比较构造是否是要查找构造器，其实就是比较类型完成相等就完了，有一个不相等则返回false。

    private static boolean arrayContentsEq(Object[] a1, Object[] a2) {
        if (a1 == null) {
            return a2 == null || a2.length == 0;
        }

        if (a2 == null) {
            return a1.length == 0;
        }

        if (a1.length != a2.length) {
            return false;
        }

        for (int i = 0; i < a1.length; i++) {
            if (a1 != a2) {
                return false;
            }
        }

        return true;
    }
    // sun.reflect.ReflectionFactory
    /** Makes a copy of the passed constructor. The returned
        constructor is a "child" of the passed one; see the comments
        in Constructor.java for details. */
    public <T> Constructor<T> copyConstructor(Constructor<T> arg) {
        return langReflectAccess().copyConstructor(arg);
    }
   
    // java.lang.reflect.Constructor, copy 其实就是新new一个 Constructor 出来
    Constructor<T> copy() {
        // This routine enables sharing of ConstructorAccessor objects
        // among Constructor objects which refer to the same underlying
        // method in the VM. (All of this contortion is only necessary
        // because of the "accessibility" bit in AccessibleObject,
        // which implicitly requires that new java.lang.reflect
        // objects be fabricated for each reflective call on Class
        // objects.)
        if (this.root != null)
            throw new IllegalArgumentException("Can not copy a non-root Constructor");

        Constructor<T> res = new Constructor<>(clazz,
                                               parameterTypes,
                                               exceptionTypes, modifiers, slot,
                                               signature,
                                               annotations,
                                               parameterAnnotations);
        // root 指向当前 constructor
        res.root = this;
        // Might as well eagerly propagate this if already present
        res.constructorAccessor = constructorAccessor;
        return res;
    }

通过上面，获取到 Constructor 了。
接下来就只需调用其相应构造器的 newInstance()，即返回实例了。

    // return tmpConstructor.newInstance((Object[])null);
    // java.lang.reflect.Constructor
    @CallerSensitive
    public T newInstance(Object ... initargs)
        throws InstantiationException, IllegalAccessException,
               IllegalArgumentException, InvocationTargetException
    {
        if (!override) {
            if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
                Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
                checkAccess(caller, clazz, null, modifiers);
            }
        }
        if ((clazz.getModifiers() & Modifier.ENUM) != 0)
            throw new IllegalArgumentException("Cannot reflectively create enum objects");
        ConstructorAccessor ca = constructorAccessor;   // read volatile
        if (ca == null) {
            ca = acquireConstructorAccessor();
        }
        @SuppressWarnings("unchecked")
        T inst = (T) ca.newInstance(initargs);
        return inst;
    }
    // sun.reflect.DelegatingConstructorAccessorImpl
    public Object newInstance(Object[] args)
      throws InstantiationException,
             IllegalArgumentException,
             InvocationTargetException
    {
        return delegate.newInstance(args);
    }
    // sun.reflect.NativeConstructorAccessorImpl
    public Object newInstance(Object[] args)
        throws InstantiationException,
               IllegalArgumentException,
               InvocationTargetException
    {
        // We can't inflate a constructor belonging to a vm-anonymous class
        // because that kind of class can't be referred to by name, hence can't
        // be found from the generated bytecode.
        if (++numInvocations > ReflectionFactory.inflationThreshold()
                && !ReflectUtil.isVMAnonymousClass(c.getDeclaringClass())) {
            ConstructorAccessorImpl acc = (ConstructorAccessorImpl)
                new MethodAccessorGenerator().
                    generateConstructor(c.getDeclaringClass(),
                                        c.getParameterTypes(),
                                        c.getExceptionTypes(),
                                        c.getModifiers());
            parent.setDelegate(acc);
        }

        // 调用native方法，进行调用 constructor
        return newInstance0(c, args);
    }

返回构造器的实例后，可以根据外部进行进行类型转换，从而使用接口或方法进行调用实例功能了。
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原文链接：https://pdai.tech/md/java/basic/java-basic-x-reflection.html