Java反射之Method的invoke方法实现

使用reflect（反射）包下面的Field和Method类获得类的属性和方法，并对属性和方法进行操作。

在框架中经常会会用到method.invoke()方法，用来执行某个的对象的目标方法。以前写代码用到反射时，总是获取先获取Method，然后传入对应的Class实例对象执行方法。然而前段时间研究invoke方法时，发现invoke方法居然包含多态的特性，这是以前没有考虑过的一个问题。那么Method.invoke()方法的执行过程是怎么实现的？它的多态又是如何实现的呢？

本文将从java和JVM的源码实现深入探讨invoke方法的实现过程。

首先给出invoke方法多态特性的演示代码：

public class MethodInvoke {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		Method animalMethod = Animal.class.getDeclaredMethod("print");
		Method catMethod = Cat.class.getDeclaredMethod("print");
	
		Animal animal = new Animal();
		Cat cat = new Cat();
		animalMethod.invoke(cat);
		animalMethod.invoke(animal);
		
		catMethod.invoke(cat);
		catMethod.invoke(animal);
	}
}
 
class Animal {
	public void print() {
		System.out.println("Animal.print()");
	}
}
 
class Cat extends Animal {
	@Override
	public void print() {
		System.out.println("Cat.print()");
	}
}

代码中，Cat类覆盖了父类Animal的print()方法， 然后通过反射分别获取print()的Method对象。最后分别用Cat和Animal的实例对象去执行print()方法。其中animalMethod.invoke(animal)和catMethod.invoke(cat)，示例对象的真实类型和Method的声明Classs是相同的，按照预期打印结果；animalMethod.invoke(cat)中，由于Cat是Animal的子类，按照多态的特性，子类调用父类的的方法，方法执行时会动态链接到子类的实现方法上。因此，这里会调用Cat.print()方法；而catMethod.invoke(animal)中，传入的参数类型Animal是父类，却期望调用子类Cat的方法，因此这一次会抛出异常。代码打印结果为：

Cat.print()
Animal.print()
Cat.print()
Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: object is not an instance of declaring class
	at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
	at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(Unknown Source)
	at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(Unknown Source)
	at java.lang.reflect.Method.invoke(Unknown Source)
	at com.wy.invoke.MethodInvoke.main(MethodInvoke.java:17)

接下来，我们来看看invoke()方法的实现过程。

public Object invoke(Object obj, Object... args) throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException{
        if (!override) {
            if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
                Class<?> caller = Reflection.getCallerClass(1);
 
                checkAccess(caller, clazz, obj, modifiers);
            }
        }
        MethodAccessor ma = methodAccessor;             // read volatile
    if (ma == null) {
        ma = acquireMethodAccessor();
    }
    return ma.invoke(obj, args);
}

invoke()方法中主要分为两部分：访问控制检查和调用MethodAccessor.invoke()实现方法执行。

首先看一下访问控制检查这一块的逻辑。第一眼看到这里的逻辑的时候，很容易搞不清楚是干嘛的。通俗来讲就是通过方法的修饰符(public/protected/private/package)，来判断方法的调用者是否可以访问该方法。这是java的基础内容，不过用代码写出来，一下子不容易想到。访问控制检查分为3步：

1. 检查override，如果override为true，跳过检查；否则继续；
2. 快速检查，判断该方法的修饰符modifiers是否为public，如果是跳过检查；否则继续；
3. 详细检查，通过方法的(protected/private/package)修饰符或方法的声明类（例如子类可以访问父类的protected方法）与调用者caller之间的关系，判断caller是否有权限访问该方法。

override属性是Method的父类AccessibleObject中声明的变量，使得程序可以控制是否跳过访问权限的检查。另外，Method的实例对象中，override属性的初始值设置为false。

public void setAccessible(boolean flag) throws SecurityException {
        SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
        if (sm != null) sm.checkPermission(ACCESS_PERMISSION);
        setAccessible0(this, flag);
    }
 
    private static void setAccessible0(AccessibleObject obj, boolean flag)
        throws SecurityException
    {
        if (obj instanceof Constructor && flag == true) {
            Constructor<?> c = (Constructor<?>)obj;
            if (c.getDeclaringClass() == Class.class) {
                throw new SecurityException("Can not make a java.lang.Class" +
                                        " constructor accessible");
        }
    }
    obj.override = flag;
}

多说一句，Field同样继承了AccessibleObject，且Field的override也是初始化为false的，也就是说并没有按照变量的修饰符去初始化不同的值。但是我们在调用Field.set(Object obj, Object value)时，如果该Field是private修饰的，会因没有访问权限而抛出异常，因此必须调用setAccessible(true)。此处非常容易理解为因为变量是public的，所以override就被初始化为true。

invoke()方法中，访问控制检查之后，就是通过MethodAccessor.invoke()调用方法。再来看一下代码：

MethodAccessor ma = methodAccessor;             // read volatile
if (ma == null) {
    ma = acquireMethodAccessor();
}
return ma.invoke(obj, args);

这里的逻辑很简单，首先将变量methodAccessor赋值给ma，在方法栈中保存一个可以直接引用的本地变量，如果methodAccessor不存在，调用acquireMethodAccessor()方法创建一个。

    private volatile MethodAccessor methodAccessor;
    private Method root;
    
    private MethodAccessor acquireMethodAccessor() {
        // First check to see if one has been created yet, and take it
        // if so
        MethodAccessor tmp = null;
        if (root != null) tmp = root.getMethodAccessor();
        if (tmp != null) {
            methodAccessor = tmp;
        } else {
            // Otherwise fabricate one and propagate it up to the root
            tmp = reflectionFactory.newMethodAccessor(this);
            setMethodAccessor(tmp);
        }
 
        return tmp;
    }
 
    void setMethodAccessor(MethodAccessor accessor) {
        methodAccessor = accessor;
        // Propagate up
        if (root != null) {
            root.setMethodAccessor(accessor);
        }
    }
 
    Method copy() {
        Method res = new Method(clazz, name, parameterTypes, returnType,
                                exceptionTypes, modifiers, slot, signature,
                                annotations, parameterAnnotations, annotationDefault);
        res.root = this;
        res.methodAccessor = methodAccessor;
        return res;
    }

综合acquireMethodAccessor(),setMethodAccessor()以及copy()这三个方法，可以看到一个Method实例对象维护了一个root引用。当调用Method.copy()进行方法拷贝时，root指向了被拷贝的对象。那么当一个Method被多次拷贝后，调用一次setMethodAccessor()方法，就会将root引用所指向的Method的methodAccessor变量同样赋值。例如：D -> C -> B -> A，其中X-> Y表示X = Y.copy()， 当C对象调用setMethodAccessor()时，B和A都会传播赋值methodAccessor， 而D的methodAccessor还是null。紧接着，当D需要获取methodAccessor而调用acquireMethodAccessor()时，D获取root的methodAccessor， 那么D将和ABC持有相同的methodAccessor。

虽然Method中，通过维护root引用意图使相同的方法始终保持只有一个methodAccessor实例，但是上述方法仍然无法保证相同的方法只有一个methodAccessor实例。例如通过copy()使ABCD保持关系：D -> C -> B -> A， 当B对象调用setMethodAccessor()时，B和A都会赋值methodAccessor， 而C、D的methodAccessor还是null。这时D调用acquireMethodAccessor()时，D获取root也就是C的methodAccessor，发现为空，然后就新创建了一个。从而出现了相同的方法中出现了两个methodAccessor实例对象的现象。

在Class.getMethod()、Class.getDeclaredMethod()以及Class.getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)方法中最终都会调用copy()方法来保障Method使用的安全性。 在比较极端加巧合的情况下，可能会引起类膨胀的问题，这就是接下来要讲到的MethodAccessor的实现机制。

在前面代码中，MethodAccessor的创建是通过反射工厂ReflectionFactory的newMethodAccessor(Method)方法来创建的。

public MethodAccessor newMethodAccessor(Method method) {
        checkInitted();
 
    if (noInflation) {
        return new MethodAccessorGenerator().
            generateMethod(method.getDeclaringClass(),
                           method.getName(),
                           method.getParameterTypes(),
                           method.getReturnType(),
                           method.getExceptionTypes(),
                           method.getModifiers());
    } else {
        NativeMethodAccessorImpl acc = new NativeMethodAccessorImpl(method);
        DelegatingMethodAccessorImpl res = new DelegatingMethodAccessorImpl(acc);
        acc.setParent(res);
        return res;
    }
}

其中， checkInitted()方法检查从配置项中读取配置并设置noInflation、inflationThreshold的值：

浪费时间

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