Java jvm 類載入 反射

  • 2020 年 10 月 24 日
  • 筆記

Java 底層

jvm，類載入，反射

Java語言是跨平台語言，一段java程式碼，經過編譯成class文件後，能夠在不同系統的伺服器上運行；因為java語言中有虛擬機jvm，才有了跨平台，java為了實現跨平台，在jvm上投入了很大的研發開發資源。jvm是java的底層，本文學習探討下java的jvm及關聯的類載入和反射知識

JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫，JVM是一種用於計算設備的規範，它是一個虛構出來的電腦，是通過在實際的電腦上模擬模擬各種電腦功能來實現的。

Java語言的一個非常重要的特點就是與平台的無關性。而使用Java虛擬機是實現這一特點的關鍵。一般的高級語言如果要在不同的平台上運行，至少需要編譯成不同的目標程式碼。而引入Java語言虛擬機後，Java語言在不同平台上運行時不需要重新編譯。Java語言使用模式Java虛擬機屏蔽了與具體平台相關的資訊，使得Java語言編譯程式只需生成在Java虛擬機上運行的目標程式碼（位元組碼），就可以在多種平台上不加修改地運行。Java虛擬機在執行位元組碼時，把位元組碼解釋成具體平台上的機器指令執行。 [1]

jvm的構成

jvm周期：是在java程式執行時運行，程式結束時停止

jvm的基本結構有：類載入子系統、本地方法棧、Java棧、方法區、Java堆、pc暫存器，垃圾回收，執行引擎

類載入子系統

java是面向對象語言，邏輯程式碼中的類文件執行邏輯前，是需要jvm讀取class文件並校驗初始化後才能使用的，包括變數，方法，構造。

類載入系統可以認為是在使用到java對像時（抽象），對java對象位元組碼的讀取載入預編譯（具體），之後不再載入（讀取校驗一次）。

Java棧

棧是先進後出的結構，java棧時一塊執行緒私有的記憶體空間，可以理解為一個java執行緒對應一個java棧，棧和執行緒密切關聯，棧包含執行緒運行的實時資訊，如當前運行方法地址，方法中的瞬時變數等資訊

方法區

在一個jvm實例的內部，類型資訊被存儲在一個稱為方法區的記憶體邏輯區中。類型資訊是由類載入器在類載入時從類文件中提取出來的。類(靜態)變數也存儲在方法區中。

Java堆

java堆是和應用程式關係最為密切的記憶體空間，幾乎所有的對象都存放在堆上。並且java堆是完全自動化管理的，通過垃圾回收機制，垃圾對象會被自動清理，而不需要顯示的釋放。

pc暫存器

存放電腦下一步要執行的指令的地址，

垃圾回收

因為程式運行沒創建一個對象都需要使用硬體的記憶體資源，不能無限使用，jvm的垃圾回收能夠自動回收不再使用的java對象，使記憶體空間有效利用。垃圾回收執行緒是後台執行的，不需要認為回收記憶體垃圾，即使有垃圾回收方法調用，但並不能控制jvm如何去將一個對象失效回收。

執行引擎

Java 位元組碼指令指向特定邏輯得本地機器碼，而JVM 解釋執行Java位元組碼指令時，會直接調用位元組碼指向得本地機器碼；

java底層由C語言編寫，執行java程式時，jvm每讀取一個位元組碼指令動作，執行引擎就解析解釋執行本地系統對應的本地機器碼。

類載入

虛擬機把描述類的數據從 Class 文件載入到記憶體，並對數據進行校驗、轉換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機直接使用的 Java 類型，這就是虛擬機的類載入機制。

在Java語言裡面，類型的載入、連接和初始化過程都是在程式運行期間完成的

雙親委派機制

作為軟體開發語言，java在安全方面也有很高的要求，所以類載入是有一套規則的，jre是java運行時的環境，包括很多基本類，如java.lang.String 是字元串類，這個類很基礎也很重要，那在載入的時候不能允許載入的String類被篡改，java保證類載入安全，首先看是否已經載入，如果沒有查看核心庫是否有此類，沒有此類才會去擴展環境找類文件載入，這種機制保證了類在載入時的唯一性和安全性。

java類載入一般來說是詢問自己的parentClassLoader 載入，如果沒有載入成功，才自己載入，載入順序是自上而下

java.lang.ClassLoader 載入類方法

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name); //0.是否已載入
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false); //1.沒有載入，首先通過父類載入器載入
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name); //1.沒有父類載入器時載入方式
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) { 
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);
					//如果父類沒有載入到類，則使用findClass方法去載入類(這個方法可以重寫自定義)
                    // 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;
        }
    }

反射

反射是Java重要的技術點，在框架開發，AOP切面編程代理等方面都需要反射方面的技術去實現。

Java反射機制主要提供了以下功能：

  • 在運行時判斷任意一個對象所屬的類。
  • 在運行時構造任意一個類的對象。
  • 在運行時判斷任意一個類所具有的成員變數和方法。
  • 在運行時調用任意一個對象的方法。
  • 生成動態代理。

反射相關的類

Class 類的位元組碼對象

Field 類的屬性

Method 類的方法

Constructor 類的構造方法

Annotation 類（方法欄位）的註解

反射的使用

一般使用

模擬事務的註解

@Target({ElementType.TYPE,ElementType.METHOD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Inherited
public @interface defTransaction {

}

普通封裝對象

public interface People {

	String getName();
	void setName(String name);
	Integer getAge();
	void setAge(Integer age);
	BigDecimal getMoney();
	void setMoney(BigDecimal money);
	@defTransaction
	void addMoney(BigDecimal addNum);
	@defTransaction
	void subTractMoney(BigDecimal subNum);
	
}


public class TestPeople implements People{
	
	// 姓名
	public String name;
	
	// 年齡
	private Integer age;
	
	// 錢
	private BigDecimal money;
	
	public String getName() {
		return name;
	}
	
	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}
	public Integer getAge() {
		return age;
	}
	public void setAge(Integer age) {
		this.age = age;
	}
	public BigDecimal getMoney() {
		return money;
	}
	public void setMoney(BigDecimal money) {
		this.money = money;
	}

	@Override
	public void addMoney(BigDecimal addNum) {
		this.money = this.money.add(addNum);
		
	}

	@Override
	public void subTractMoney(BigDecimal subNum) {
		this.money = this.money.subtract(subNum);
	}		
}

反射測試類

public class ReflectTest {

	public static void main(String[] args) {
		// 普通對象創建 使用new
		People testPeople = new TestPeople();
		testPeople.setName("Frank");
		testPeople.setAge(18);
		testPeople.setMoney(new BigDecimal(10));
		System.out.println("json:" + JsonUtil.objectToJson(testPeople));
		
		// 反射創建對象 class.newInstance()
		ClassLoader contextClassLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
		try {
			Class<?> clazz = contextClassLoader.loadClass("com.domoment.leaves.common.util.reflect.TestPeople");
			if(clazz != null) {
					Object people = clazz.newInstance();
					System.out.println("newInstance start json:" + JsonUtil.objectToJson(people));
					
					// 通過反射執行方法
					Method setName = clazz.getMethod("setName", String.class);
					setName.invoke(people, "inoverFrank");
					
					
					System.out.println("newInstance end json:" + JsonUtil.objectToJson(people));
					
			}
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

使用反射實現代理

代理類DefProxy （People是被代理類）


public class DefProxy implements InvocationHandler{

	 //　這個就是我們要代理的真實對象
    private Object subject;
    
    //    構造方法，給我們要代理的真實對象賦初值
    public DefProxy(Object subject){
        this.subject = subject;
    }
    
	@Override
	public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
		Annotation[] annotations = method.getDeclaredAnnotations();
		boolean transactionOpen = false;
		for (Annotation annotation : annotations) {
			if(annotation instanceof defTransaction) {
				transactionOpen = true;
				break;
			}
		}
		if(transactionOpen) { //當方法上有 defTransaction 註解時，執行方法前開啟事務
			System.out.println("open Transaction");
		}
		System.out.println("proxy:" + method.getName());
		Object result = method.invoke(subject, args);
		
		if(transactionOpen) { //當方法上有 defTransaction 註解時，執行方法後關閉事務
			System.out.println("close Transaction");
		}
		return result;
	}

}

代理測試程式碼

public class ReflectTest {

	public static void main(String[] args) {
		// 反射創建對象
		ClassLoader contextClassLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
		try {
			Class<?> clazz = contextClassLoader.loadClass("com.domoment.leaves.common.util.reflect.TestPeople");
			if(clazz != null) {
					Object people = clazz.newInstance();
					System.out.println("newInstance start json:" + JsonUtil.objectToJson(people));
					
					
					Method setName = clazz.getMethod("setName", String.class);
					setName.invoke(people, "inoverFrank");
					
					System.out.println("newInstance end json:" + JsonUtil.objectToJson(people));
					
					InvocationHandler handler = new DefProxy(people);
					
                	// 構造代理對象
					People proxyPeople = (People)Proxy.
							newProxyInstance(handler.getClass().getClassLoader(), people.getClass().getInterfaces(), handler);

					proxyPeople.setName("proxySetFrank");
					proxyPeople.setAge(20);
					proxyPeople.setMoney(new BigDecimal(999));
					System.out.println("proxyPeople end json:" + JsonUtil.objectToJson(people));
					proxyPeople.addMoney(new BigDecimal(20));
					System.out.println("proxyPeople add json:" + JsonUtil.objectToJson(people));
					proxyPeople.subTractMoney(new BigDecimal(17));
					System.out.println("proxyPeople end json:" + JsonUtil.objectToJson(people));
					
			}
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

控制台列印

newInstance start json:{}
newInstance end json:{"name":"inoverFrank"}
proxy:setName
proxy:setAge
proxy:setMoney
proxyPeople end json:{"name":"proxySetFrank","age":20,"money":999}
open Transaction
proxy:addMoney
close Transaction
proxyPeople add json:{"name":"proxySetFrank","age":20,"money":1019}
open Transaction
proxy:subTractMoney
close Transaction
proxyPeople end json:{"name":"proxySetFrank","age":20,"money":1002}

可以看到方法上有 defTransaction 註解的時候，

方法執行前 列印 open Transaction

方法執行後 列印 close Transaction

這是模擬，真實場景就可以將列印改為代理時擴展方法，如資料庫操作時候，開啟關閉事務

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