本文目录
什么是Java反射，有什么用？
JavaClass文件的结构
JavaClass加载的过程
反射在native的实现
附录
1.什么是Java反射，有什么用？
反射使程序代码能够接入装载到JVM中的类的内部信息，允许在编写与执行时，而不是源代码中选定的类协作的代码，是以开发效率换运行效率的一种手段。这使反射成为构建灵活应用的主要工具。
反射可以：
调用一些私有方法，实现黑科技。比如双卡短信发送、设置状态栏颜色、自动挂电话等。
实现序列化与反序列化，比如PO的ORM，Json解析等。
实现跨平台兼容，比如JDK中的SocketImpl的实现
通过xml或注解，实现依赖注入(DI)，注解处理，动态代理，单元测试等功能。比如Retrofit、Spring或者Dagger
2.JavaClass文件的结构
在*.class文件中，以Byte流的形式进行Class的存储，通过一系列Load，Parse后，Java代码实际上可以映射为下图的结构体，这里可以用javap命令或者IDE插件进行查看。
typedefstruct{
u4magic;/*0xCAFEBABE*/
u2minor_version;/*网上有表可查*/
u2major_version;/*网上有表可查*/
u2constant_pool_count;
cp_infoconstant_pool[constant_pool_count-1];
u2access_flags;
u2this_class;
u2super_class;
u2interfaces_count;
u2interfaces[interfaces_count];
//重要
u2fields_count;
field_infofields[fields_count];
//重要
u2methods_count;
method_infomethods[methods_count];
u2attributes_count;
attribute_infoattributes[attributes_count];
}ClassBlock;
常量池(constantpool):类似于C中的DATA段与BSS段，提供常量、字符串、方法名等值或者符号（可以看作偏移定值的指针）的存放
access_flags:对Class的flag修饰
typedefenum{
ACC_PUBLIC=0x,
ACC_FINAL=0x,
ACC_SUPER=0x,
ACC_INTERFACE=0x,
ACC_ACSTRACT=0x
}AccessFlag
thisclass/superclass/interface:一个长度为u2的指针，指向常量池中真正的地址，将在Link阶段进行符号解引。
filed:字段信息，结构体如下
typedefstructfieldblock{
char*name;
char*type;
char*signature;
u2access_flags;
u2constant;
union{
union{
chardata[8];
uintptr_tu;
longlongl;
void*p;
inti;
}static_value;
u4offset;
}u;
}FieldBlock;
method:提供descriptor,access_flags,Code等索引，并指向常量池：
它的结构体如下，详细在这里
method_info{
u2access_flags;
u2name_index;
//theparametersthatthemethodtakesandthe
//valuethatitreturn
u2descriptor_index;
u2attributes_count;
attribute_infoattributes[attributes_count];
}
以上具体内容可以参考
JVM文档
周志明的《深入理解Java虚拟机》，少见的国内精品书籍
一些国外教程的解析
3.JavaClass加载的过程
Class的加载主要分为两步
第一步通过ClassLoader进行读取、连结操作
第二步进行Class的clinit()初始化。
3.1.Classloader加载过程
ClassLoader用于加载、连接、缓存Class，可以通过纯Java或者native进行实现。在JVM的native代码中，ClassLoader内部维护着一个线程安全的HashTableString,Class，用于实现对Class字节流解码后的缓存，如果HashTable中已经有了缓存，则直接返回缓存；反之，在获得类名后，通过读取文件、网络上的class字节流反序列化为JVM中native的C结构体，接着malloc内存，并将指针缓存在HashTable中。
下面是非数组情况下ClassLoader的流程
find/load:将文件反序列化为C结构体。
link:根据Class结构体常量池进行符号的解引。比如对象计算内存空间，创建方法表，nativeinvoker，接口方法表，finalizer函数等工作。
3.2.初始化过程
当ClassLoader加载Class结束后，将进行Class的初始化操作。主要执行clinit()的静态代码段与静态变量（取决于源码顺序）。
publicclassSample{
//step.1
staticintb=2;
//step.2
static{
b=3;
}
publicstaticvoidmain(String[]args){
Samples=newSample();
System.out.println(s.b);
//b=3
}
}
具体参考如下：
WhenandhowaJavaclassisloadedandinitialized?
TheLifetimeofaType
在完成初始化后，就是Object的构造init了，本文暂不讨论。
4.反射在native的实现
反射在Java中可以直接调用，不过最终调用的仍是native方法，以下为主流反射操作的实现。
4.1.Class.forName的实现
Class.forName可以通过包名寻找Class对象，比如Class.forName("java.lang.String")。
在JDK的源码实现中，可以发现最终调用的是native方法forName0()，它在JVM中调用的实际是findClassFromClassLoader()，原理与ClassLoader的流程一样，具体实现已经在上面介绍过了。
4.2.getDeclaredFields的实现
在JDK源码中，可以知道class.getDeclaredFields()方法实际调用的是native方法getDeclaredFields0()，它在JVM主要实现步骤如下
根据Class结构体信息，获取field_count与fields[]字段，这个字段早已在load过程中被放入了
根据field_count的大小分配内存、创建数组
将数组进行forEach循环，通过fields[]中的信息依次创建Object对象
返回数组指针
主要慢在如下方面
创建、计算、分配数组对象
对字段进行循环赋值
4.3.Method.invoke的实现
以下为无同步、无异常的情况下调用的步骤
创建Frame
如果对象flag为native，交给native_handler进行处理
在frame中执行java代码
弹出Frame
返回执行结果的指针
主要慢在如下方面
需要完全执行ByteCode而缺少JIT等优化
检查参数非常多，这些本来可以在编译器或者加载时完成
4.4.class.newInstance的实现
检测权限、预分配空间大小等参数
创建Object对象，并分配空间
通过Method.invoke调用构造函数(init())
返回Object指针
主要慢在如下方面
参数检查不能优化或者遗漏
init()的查表
Method.invoke本身耗时
5.附录
5.1.JVM与源码阅读工具的选择
初次学习JVM时，不建议去看AndroidArt、Hotspot等重量级JVM的实现，它内部的防御代码很多，还有android与libcore、bionic库紧密耦合，以及分层、内联甚至能把编译器的语义分析绕进去，因此找一个教学用的、嵌入式小型的JVM有利于节约自己的时间。因为以前折腾过OpenWrt，听过有大神推荐过jamvm，只有不到个源文件，非常适合学习。
在工具的选择上，个人推荐SourceInsight。对比了好几个工具clion，vscode，sublime，sourceinsight，只有sourceinsight对索引、符号表的解析最准确。
5.2.关于几个ClassLoader
参考这里
ClassLoader0：native的classloader，在JVM中用C写的，用于加载rt.jar的包，在Java中为空引用。
ExtClassLoader:用于加载JDK中额外的包，一般不怎么用
AppClassLoader:加载自己写的或者引用的第三方包，这个最常见
例子如下
//sun.misc.Launcher$AppClassLoader
4b67cf4d//whichclassyoucreateorjarsfromthirdParty
//第一个非常有歧义，但是它的确是AppClassLoader
ClassLoader.getSystemClassLoader();
