關於 Java 中 Runtime.class.getClass() 的細節分析

JVM · 發表 2019-02-17 08:25:25

摘要： * 在之前的《淺析Java序列化和反序列化》一文的Payload構造章節中出現了一大堆的Class 、Method 和Object ，讓很多程式碼基礎較弱的同學一臉懵逼。其中一個比較詭異的邏輯Runtime.class.getClass() ，有朋友問它的結果...

* 在之前的《淺析Java序列化和反序列化》一文的Payload構造章節中出現了一大堆的Class 、Method 和Object ，讓很多程式碼基礎較弱的同學一臉懵逼。其中一個比較詭異的邏輯Runtime.class.getClass() ，有朋友問它的結果為什麼是java.lang.Class 。對於這個問題，有Java語言基礎的同學一般會回答『物件的型別本來就是Class ，而Class 也是物件，它的型別當然也是Class 』，道理沒錯，但仔細想想，這還真是一個挺有意思的問題。

關於 `Class` 的名稱

我們先重寫一下這個問題的程式碼：

Class rt = Runtime.class;
Class clz = rt.getClass();

通過斷點除錯觀察變數，rt 和clz 同樣都是Class 物件，但rt 無論是列印輸出還是呼叫getTypeName() 得到的都是『java.lang.Runtime』，而clz 則是『java.lang.Class』。

為什麼不一樣？難道Runtime 是Class 的子類？當然不是，Runtime 可是Object 的親兒子。

機智的你一定會跟進Class 中看看它的toString() 和getTypeName() 兩個方法的程式碼邏輯，原來它們都是呼叫getName() 返回由這個Class 所表示的物件的名稱。

關於 .class 和 getClass()

由此可知，new Object().getClass() 得到的應該是名稱為『java.lang.Object』的Class ，記作class java.lang.Object （以下類似） ，而Runtime.class 拿到的Class 作為Object 的子類，呼叫getClass() 得到的卻是class java.lang.Class 。

因此，我們需要對比一下這兩種獲取Class 的方法的區別：

.class ，又稱『類字面量』，只能作用於類的關鍵字，返回編譯時確定的型別
```
Object.class
```

getClass() ，Object 的例項方法，返回執行時確定的型別
```
new Object().getClass()
```

在一般情況下，它倆的結果是可以相等的：

Object obj = new Object();
Object.class == obj.getClass();// true
Object.class.equals(obj.getClass()); // true

但當存在多型時，後者的區別就體現出來了：

class gyyyy {}

Object obj = new Object();
Object gy = new gyyyy();
obj.getClass(); // class java.lang.Object
gy.getClass();// class gyyyy

讓我們回到最初的那個問題，答案已經呼之欲出了：Runtime.class 獲取的是class java.lang.Runtime ，而該Class 呼叫getClass() 時，執行時確定的型別為Class 而非方法擁有者Object ，所以得到的第二個Class 為class java.lang.Class 。

看到這，一定有同學開始罵我又在水文章了：褲子都脫了你就給我看這個？說來說去都是一堆廢話，跟沒說一樣。

別急，我們繼續。

JVM基礎

既然上面的兩種方法分別提到了編譯時和執行時，不妨讓我們站在JVM的角度再玩深一點。

先科普幾個JVM相關的基礎知識，讓大家有個整體概念，其他的內容如果在後續分析過程中遇到了再穿插介紹。

Classfile

每個類（包括內部類、匿名類、介面、註解、列舉和陣列等） 經過編譯後，都會單獨生成一個.class檔案，裡面是一堆用於表示和描述該類的位元組碼，Java規範中管它叫Classfile。

Classfile中的核心內容如下：

常量池（Constant Pool）
訪問許可權標識（Access Flags）
類（This Class）
父類（Super Class）
介面集合（Interfaces）
欄位集合（Fields）
方法集合（Methods）
屬性集合（Attributes）

其中，常量池裡存放了該類編譯前宣告和編譯中優化計算的所有值，包括原始型別和引用型別（符號引用） ，類相關資訊都以名稱和描述為主，但不涉及任何具體的值或引用 （都依賴常量池索引） 。屬性集合中則存放了類、欄位和方法所可能需要的屬性資訊，如類原始檔資訊、方法程式碼段、方法程式碼段的本地變量表等。

執行時記憶體基本結構

執行時資料區

執行緒（Threads）
幀（Frames）
本地變量表（Local Variables）
運算元棧（Operand Stacks）
程式計數器（Program Counter, PC）
JVM堆疊（JVM Stack）
堆（Heap）
類（Class）
執行時常量池（Run-Time Constant Pool）
方法區（Method Area）
物件（Objects）
執行緒共享
執行緒私有

其中，執行緒共享部分隨JVM啟動而建立，執行緒私有部分隨執行緒建立而建立。Frame中存放的是方法資料而非Class資料，但一般來說，Object和方法的程式碼實現中都會存放它所屬Class的引用。

需要注意的是，上面列出的Class和Object大致分別對應在Java程式碼中使用class 或interface 關鍵字宣告的類和根據它們建立的類例項，而Java語言規範中所描述的Class 和Object 嚴格意義上來說都屬於Class。

載入、連結和初始化

載入，是指根據指定名稱尋找並讀取Classfile，將其轉換成Class的過程
連結，是指解析Class中的符號引用，並轉換為執行時狀態的過程
初始化，是指執行Class的<cinit> 方法的過程

在這個階段中，可以為Class建立一個新的java/lang/Class 的Object，在其中定義一個欄位中存放當前Class的引用，並將這個Object的引用放入Class中作為其類物件 （非JVM規範，由實現方自行決定） ，而這個所謂的類物件，就是我們最開始通過.class 和getClass() 獲取到的那個Class 物件。

方法執行過程

由於篇幅原因，這裡只簡單介紹例項方法的執行過程：

從常量池中取出方法引用，計算該方法引數個數
從運算元棧彈出當前類物件引用和其他引數，組成引數列表
為該方法建立新的Frame ，將引數放入它的本地變量表中，將其壓入JVM棧頂
解析並執行該方法程式碼段的指令集

方法的執行結果並不會直接返回給呼叫方，而是由return 系列的指令將當前運算元棧頂元素取出，壓入JVM棧中呼叫方所屬Frame的運算元棧中。

刨根問底

現在，我們將示例程式碼放入main 函式中，這段程式碼經過編譯後會變成以下指令：

ldc #2
astore_1
aload_1
invokevirtual #3
astore_2
...

（#x 代表常量池索引值，可能會因為示例程式碼差異而不同。如果使用鏈式結構Runtime.class.getClass() ，第2、3條指令會省略）

大致解釋一下：

ldc 指令會從常量池中取索引為2 的元素，此時取到的是名為java/lang/Runtime 的類引用型別常量，根據JVM規範的描述，如果是類引用型別常量，需要獲取它的類物件引用 （在前面載入、連結和初始化部分提到過的那個Object） ，再將其壓入運算元棧 （對應Runtime.class ）
astore_1 指令會彈出運算元棧頂元素，放入本地變量表的1 位置 （0 位置是main 方法引數args ） ，此時該位置的變數名為rt （對應Class rt = ）
aload_1 指令會從本地變量表中讀取元素壓入運算元棧 （對應rt ）
invokevirtual 指令會從常量池中取索引為3 的元素，此時取到的是名為java/lang/Object.getClass 的方法引用型別常量，再彈出運算元棧頂獲得之前ldc 得到的類物件引用作為第一個引數，為該方法建立新的Frame 並壓入JVM堆疊，執行該方法的指令集，return 時將結果壓入方法呼叫方的運算元棧 （對應.getClass() ）
astore_2 指令會彈出棧頂元素，放入本地變量表的2 位置，此時該位置的變數名為clz （對應Class clz = ）

由此，我們可以明確的知道變數rt 存放的是java/lang/Runtime 的類物件引用，變數clz 存放的是java/lang/Class 的類物件引用。由於類物件是在Class的連結過程中建立的，而在JVM中每個Class又是唯一的單例，因此同一個類以及它不同的例項獲取到的類物件都是同一個。

結論不變。