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作者 | 吴楠予

来源 | urlify.cn/E3euIb

Java 底层

jvm，类加载，反射

Java语言是跨平台语言，一段java代码，经过编译成class文件后，能够在不同系统的服务器上运行；因为java语言中有虚拟机jvm，才有了跨平台，java为了实现跨平台，在jvm上投入了很大的研发开发资源。jvm是java的底层，本文学习探讨下java的jvm及关联的类加载和反射知识

JVM

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。
Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后，Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。Java语言使用模式Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。[1]

jvm的构成

jvm周期：是在java程序执行时运行，程序结束时停止

jvm的基本结构有：类加载子系统、本地方法栈、Java栈、方法区、Java堆、pc寄存器，垃圾回收，执行引擎

类加载子系统

java是面向对象语言，逻辑代码中的类文件执行逻辑前，是需要jvm读取class文件并校验初始化后才能使用的，包括变量，方法，构造。

类加载系统可以认为是在使用到java对像时（抽象），对java对象字节码的读取加载预编译（具体），之后不再加载（读取校验一次）。

Java栈

栈是先进后出的结构，java栈时一块线程私有的内存空间，可以理解为一个java线程对应一个java栈，栈和线程密切关联，栈包含线程运行的实时信息，如当前运行方法地址，方法中的瞬时变量等信息

方法区

在一个jvm实例的内部，类型信息被存储在一个称为方法区的内存逻辑区中。类型信息是由类加载器在类加载时从类文件中提取出来的。类(静态)变量也存储在方法区中。

Java堆

java堆是和应用程序关系最为密切的内存空间，几乎所有的对象都存放在堆上。并且java堆是完全自动化管理的，通过垃圾回收机制，垃圾对象会被自动清理，而不需要显示的释放。

pc寄存器

存放计算机下一步要执行的指令的地址，

垃圾回收

因为程序运行没创建一个对象都需要使用硬件的内存资源，不能无限使用，jvm的垃圾回收能够自动回收不再使用的java对象，使内存空间有效利用。垃圾回收线程是后台执行的，不需要认为回收内存垃圾，即使有垃圾回收方法调用，但并不能控制jvm如何去将一个对象失效回收。

执行引擎

Java 字节码指令指向特定逻辑得本地机器码，而JVM 解释执行Java字节码指令时，会直接调用字节码指向得本地机器码；

java底层由C语言编写，执行java程序时，jvm每读取一个字节码指令动作，执行引擎就解析解释执行本地系统对应的本地机器码。

类加载

虚拟机把描述类的数据从 Class 文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的 Java 类型，这就是虚拟机的类加载机制。

在Java语言里面，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的

双亲委派机制

作为软件开发语言，java在安全方面也有很高的要求，所以类加载是有一套规则的，jre是java运行时的环境，包括很多基本类，如java.lang.String 是字符串类，这个类很基础也很重要，那在加载的时候不能允许加载的String类被篡改，java保证类加载安全，首先看是否已经加载，如果没有查看核心库是否有此类，没有此类才会去扩展环境找类文件加载，这种机制保证了类在加载时的唯一性和安全性。

java类加载一般来说是询问自己的parentClassLoader 加载，如果没有加载成功，才自己加载，加载顺序是自上而下

java.lang.ClassLoader 加载类方法

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.是否已加载
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false); //1.没有加载，首先通过父类加载器加载
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name); //1.没有父类加载器时加载方式
                    }
                } 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);
     //如果父类没有加载到类，则使用findClass方法去加载类(这个方法可以重写自定义)
                    // 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重要的技术点，在框架开发，AOP切面编程代理等方面都需要反射方面的技术去实现。

Java反射机制主要提供了以下功能：

在运行时判断任意一个对象所属的类。
在运行时构造任意一个类的对象。
在运行时判断任意一个类所具有的成员变量和方法。
在运行时调用任意一个对象的方法。
生成动态代理。

反射相关的类

Class 类的字节码对象

Field 类的属性

Method 类的方法

Constructor 类的构造方法

Annotation 类（方法字段）的注解

反射的使用

一般使用

模拟事务的注解

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

}

普通封装对象

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;
 
 // 年龄
 private Integer age;
 
 // 钱
 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);
 }  
}

反射测试类

public class ReflectTest {

 public static void main(String[] args) {
  // 普通对象创建 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));
  
  // 反射创建对象 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));
     
     // 通过反射执行方法
     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();
  }
 }
}

使用反射实现代理

代理类DefProxy （People是被代理类）

public class DefProxy implements InvocationHandler{

  // 这个就是我们要代理的真实对象
    private Object subject;
    
    //    构造方法，给我们要代理的真实对象赋初值
    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) { //当方法上有 defTransaction 注解时，执行方法前开启事务
   System.out.println("open Transaction");
  }
  System.out.println("proxy:" + method.getName());
  Object result = method.invoke(subject, args);
  
  if(transactionOpen) { //当方法上有 defTransaction 注解时，执行方法后关闭事务
   System.out.println("close Transaction");
  }
  return result;
 }

}

代理测试代码

public class ReflectTest {

 public static void main(String[] args) {
  // 反射创建对象
  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);
     
                 // 构造代理对象
     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();
  }
 }
}

控制台打印

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 注解的时候，

方法执行前打印 open Transaction

方法执行后打印 close Transaction

这是模拟，真实场景就可以将打印改为代理时扩展方法，如数据库操作时候，开启关闭事务

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Java jvm 类加载 反射