脱了马甲我也认识你: 聊聊 Android 中类的真实形态

【这是 ZY 第 19 篇原创技术文章】

我们在平时开发过程中，一定定义过无数个千奇百怪的类，但是大家有想过，一个 Java 文件中的 Class，在虚拟机中的真实形态是什么么？

这篇文章就带大家探讨一下在 Android ART 里，类的真实形态，以及类加载的过程。

本文基于 ART-8.0.0_r1 分支代码进行分析

预备知识

了解 Java 基本开发
了解 ClassLoader 基本使用

看完本文可以达到什么程度

了解 Android ART 中类的存在形式
了解 Android ART 中类加载的过程

阅读前准备工作

下载 ART 源码作为参照

文章概览

一、在 Java 中如何定义一个类

对于如何在 Java 代码中定义一个类，我们一定非常熟悉了，代码如下：

class MInterface{void imethod(){}
}class Parent{
}class Child extends Parent implements MInterface{
}

二、ART 中如何表示一个 Java 类

那么对于一个 Java 类，在 ART 中是如何表示的呢？
在 ART 中，也定义了一个 Class 类，用来表示 Java 世界中的类。
当然，这个类是 c++ 定义的，毕竟 ART 就是 c++ 实现的。

下面这张图展示了 ART 中类的重要部分。

下面我们就看看这个 Class 的具体定义：

2.1 类的定义

// C++ mirror of java.lang.Class
class MANAGED Class FINAL : public Object {private:// 指向定义 Class 的 ClassLoader，如果为 null，说明是 bootstrap system loaderHeapReference<ClassLoader> class_loader_;// 对于数组类型有用，保存了数组的原始类型，比如 对于 String[]，这里指向的是 String// 对非数组类型，值为 nullHeapReference<Class> component_type_;// 指向 DexCache，如果是运行时生成的 Class，值为 nullHeapReference<DexCache> dex_cache_;HeapReference<ClassExt> ext_data_;// interface table，接口方法表，IfTable 中保存了接口类指针和方法表指针HeapReference<IfTable> iftable_;// Descriptor for the class such as "java.lang.Class" or "[C". Lazily initialized by ComputeName// 类描述符 eg: java.lang.Class 或者 [CHeapReference<String> name_;// 父类，如果是 java.lang.Object 值为 nullHeapReference<Class> super_class_;// 虚方法表，"invoke-virtual" 指令会用到，用来保存父类虚方法以及自身虚方法HeapReference<PointerArray> vtable_;// 保存类属性，只保存自身属性uint64_t ifields_;// 指向 ArtMethod 数组，保存了所有的方法，包括私有方法，静态方法，final 方法，虚方法和继承的方法uint64_t methods_;// 保存静态属性uint64_t sfields_;// 访问修饰符uint32_t access_flags_;uint32_t class_flags_;// 类实例大小，GC 时使用uint32_t class_size_;// 线程 id，类加载时加锁使用pid_t clinit_thread_id_;// ClassDex 在 DEX 文件中的 indexint32_t dex_class_def_idx_;// DEX 文件中的类型 idint32_t dex_type_idx_;// 实例属性数量uint32_t num_reference_instance_fields_;// 静态变量数量uint32_t num_reference_static_fields_;// 对象大小，GC 时使用uint32_t object_size_;uint32_t object_size_alloc_fast_path_;uint32_t primitive_type_;// ifields 的偏移量uint32_t reference_instance_offsets_;// 类初始化状态Status status_;// methods_ 中第一个从接口中复制的虚方法的偏移uint16_t copied_methods_offset_;// methods_ 中第一个自身定义的虚方法的偏移uint16_t virtual_methods_offset_;// java.lang.Classstatic GcRoot<Class> java_lang_Class_;
};

上面的类就是 Java 类在 ART 中的真实形态，各个属性在上面做了注释。
这里对几个比较重要的属性再做一下解释。

和 Java 类方法有关的两个属性是 iftable_，vtable_ 和 methods_。
其中 iftable_ 保存的是接口中的方法，vtable_ 保存的是虚方法，methods_ 保存的是所有方法。
什么是虚方法呢？虚方法其实是 C++ 中的概念，在 C++ 中，被 virtual 关键字修饰的方法就是虚方法。
而在 Java 中，我们可以理解为所有子类复写的方法都是虚方法。

和 Java 类属性有关的两个属性是 ifields_ 和 sfields_。分别保存的是类的实例属性和静态属性。

从上面的我们可以看到，Java 类的属性就都保存在 ART 中定义的 Class 里了。
其中方法最终会指向 ArtMethod 实例上，属性，最终会指向 ArtField 实例上。

2.2 类方法的定义

在 ART 中，一个 Java 的类方法是用 ArtMethod 实例来表示的。
ArtMethod 结构如下：

class ArtMethod FINAL{protected:// 定义此方法的类GcRoot<mirror::Class> declaring_class_;// 访问修饰符std::atomic<std::uint32_t> access_flags_;// 方法 code 在 dex 中的偏移uint32_t dex_code_item_offset_;// 方法在 dex 中的 indexuint32_t dex_method_index_;// 方法 index，对于虚方法，指的是 vtable 中的 index，对于接口方法，指的是 ifTable 中的 indexuint16_t method_index_;// 方法的热度计数，Jit 会根据此变量决定是否将方法进行编译uint16_t hotness_count_;struct PtrSizedFields {ArtMethod** dex_cache_resolved_methods_;void* data_;// 方法的入口void* entry_point_from_quick_compiled_code_;} ptr_sized_fields_;
}

2.3 类属性的定义

在 ART 中，一个 Java 类属性是用 ArtField 实例来表示的。
ArtField 结构如下：

class ArtField FINAL{private:// 定义此属性的类GcRoot<mirror::Class> declaring_class_;// 访问修饰符uint32_t access_flags_ = 0;// 变量在 dex 中的 iduint32_t field_dex_idx_ = 0;// 此变量在类或者类实例中的偏移uint32_t offset_ = 0;
}

三、ART 中加载类的过程

3.1 类加载的本质

在 Java 中定义好一个类之后，还需要通过 ClassLoader 进行加载。
我们经常会说到类加载，但是类加载的本质是什么呢？
在我们上面了解了一个 Java 类在 ART 中的真实形态以后，我们就比较容易理解类加载的本质了。
我们都知道，Java 文件编译完成的产物是 .class 文件，在 Android 中是 .dex 文件，类加载的本质就是解析 .class / .dex 文件，并根据对应的信息生成 ArtField，ArtMethod，最后生成 Class 实例。
再简单点来说，类加载的本质就是根据 .dex 文件内容创建 Class 实例。

3.2 ART 中类加载的入口 -- ClassLinker#DefineClass

在 Android 中，常见的两个 ClassLoader 就是 PathClassLoader 和 DexClassLoader，都是继承了 BaseDexClassLoader，我们就从 BaseDexClassLoader#findClass 开始看一下整个加载的流程。

// BaseDexClassLoader#findClass
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {List<Throwable> suppressedExceptions = new ArrayList<Throwable>();Class c = pathList.findClass(name, suppressedExceptions);// ...return c;
}
// DexPathList#findClass
public Class<?> findClass(String name, List<Throwable> suppressed) {for (Element element : dexElements) {Class<?> clazz = element.findClass(name, definingContext, suppressed);if (clazz != null) {return clazz;}}// ...return null;
}
// Element#findCLass
public Class<?> findClass(String name, ClassLoader definingContext,List<Throwable> suppressed) {return dexFile != null ? dexFile.loadClassBinaryName(name, definingContext, suppressed): null;
}

从上面的代码来看，BaseDexClassLoader#findClass 一路调用，调用到 DexFile#loadClassBinaryName，我们再继续往下看。

// DexFile
public Class loadClassBinaryName(String name, ClassLoader loader, List<Throwable> suppressed){return defineClass(name, loader, mCookie, this, suppressed);
}private static Class defineClass(String name, ClassLoader loader, Object cookie,DexFile dexFile, List<Throwable> suppressed){Class result = null;try {result = defineClassNative(name, loader, cookie, dexFile);} catch (NoClassDefFoundError e) {if (suppressed != null) {suppressed.add(e);}} catch (ClassNotFoundException e) {if (suppressed != null) {suppressed.add(e);}}return result;
}

在 DexFile 里，最终调用到 defineClassNative 方法去加载 Class，对应到 JNI 中的方法是 DexFile_defineClassNative，位于 runtime/native/dalvik_system_DexFile.cc 文件中。

static jclass DexFile_defineClassNative(JNIEnv* env,jclass,jstring javaName,jobject javaLoader,jobject cookie,jobject dexFile){// 调用for (auto& dex_file : dex_files) {ObjPtr<mirror::Class> result = class_linker->DefineClass(soa.Self(),descriptor.c_str(),hash,class_loader,*dex_file,*dex_class_def);}
}

而在 defineClassNative 中，又是调用 ClassLinker#DefineClass 去加载类的。
所以我们可以说，ClassLinker#DefineClass 就是 ART 中类加载的入口。
入口已经出现，我们就进去探索一番，看看类加载的时候，是如何创建 Class 实例的～

DefineClass 本身代码比较多，我们这里把代码简化一下，看其主要流程。

mirror::Class* ClassLinker::DefineClass(Thread* self,const char* descriptor,size_t hash,Handle<mirror::ClassLoader> class_loader,const DexFile& dex_file,const DexFile::ClassDef& dex_class_def) {auto klass = hs.NewHandle<mirror::Class>(nullptr);// 一些常用的，并且类大小可以确定的，会提前构造好对应的 Class，所以这里直接使用if (UNLIKELY(!init_done_)) {// finish up init of hand crafted class_roots_if (strcmp(descriptor, "Ljava/lang/Object;") == 0) {klass.Assign(GetClassRoot(kJavaLangObject));} else if (strcmp(descriptor, "Ljava/lang/Class;") == 0) {klass.Assign(GetClassRoot(kJavaLangClass));} else if (strcmp(descriptor, "Ljava/lang/String;") == 0) {klass.Assign(GetClassRoot(kJavaLangString));} else if (strcmp(descriptor, "Ljava/lang/ref/Reference;") == 0) {klass.Assign(GetClassRoot(kJavaLangRefReference));} else if (strcmp(descriptor, "Ljava/lang/DexCache;") == 0) {klass.Assign(GetClassRoot(kJavaLangDexCache));} else if (strcmp(descriptor, "Ldalvik/system/ClassExt;") == 0) {klass.Assign(GetClassRoot(kDalvikSystemClassExt));}}if (klass == nullptr) {// 创建其他类实例klass.Assign(AllocClass(self, SizeOfClassWithoutEmbeddedTables(dex_file, dex_class_def)));}// 设置对应的 DEX 缓存klass->SetDexCache(dex_cache);// 设置 Class 的一些属性，包括 ClassLoader，访问修饰符，Class 在 DEX 中对应的 index 等等SetupClass(*new_dex_file, *new_class_def, klass, class_loader.Get());// 把 Class 插入 ClassLoader 的 class_table 中做一个缓存ObjPtr<mirror::Class> existing = InsertClass(descriptor, klass.Get(), hash);// 加载类属性LoadClass(self, *new_dex_file, *new_class_def, klass);// 加载父类if (!LoadSuperAndInterfaces(klass, *new_dex_file)) {// 加载失败的处理}if (!LinkClass(self, descriptor, klass, interfaces, &h_new_class)) {// 连接失败的处理}// ...return h_new_class.Get();
}

从上面 DefineClass 的代码里我们可以看到，加载分为几个步骤：

创建类实例
设置 Class 访问修饰符，ClassLoader 等一些属性
加载类成员 LoadClass
加载父类和接口 LoadSuperAndInterfaces
连接 LinkClass

下面我们主要看下后面加载类成员，加载父类，连接这三个步骤。

3.3 加载类成员 -- LoadClass

加载类成员这一过程，主要有下面几个步骤：

加载静态变量
加载实例变量
加载方法，分为虚方法和非虚方法由于这里代码比较长，我们分段来看。

3.3.1 加载静态变量

// class_linker.cc
void ClassLinker::LoadClassMembers(Thread* self,const DexFile& dex_file,const uint8_t* class_data,Handle<mirror::Class> klass) {{// Load static fields.// 获取 DEX 文件中的变量迭代器ClassDataItemIterator it(dex_file, class_data);LengthPrefixedArray<ArtField>* sfields = AllocArtFieldArray(self,allocator,it.NumStaticFields());// ...// 遍历静态变量for (; it.HasNextStaticField(); it.Next()) {// ...LoadField(it, klass, &sfields->At(num_sfields));}// ...klass->SetSFieldsPtr(sfields);}
}// 加载变量，设置变量 Class 以及访问修饰符
void ClassLinker::LoadField(const ClassDataItemIterator& it,Handle<mirror::Class> klass,ArtField* dst) {const uint32_t field_idx = it.GetMemberIndex();dst->SetDexFieldIndex(field_idx);dst->SetDeclaringClass(klass.Get());dst->SetAccessFlags(it.GetFieldAccessFlags());
}

加载静态变量时，取出 DEX 文件中对应的 Class 数据，遍历其中的静态变量，设置给 Class#sfield_ 变量。

3.3.2 加载实例变量

加载实例变量和加载静态变量是类似的，这里不做过多的解读了。

void ClassLinker::LoadClassMembers(Thread* self,const DexFile& dex_file,const uint8_t* class_data,Handle<mirror::Class> klass) {{// Load instance fields.LengthPrefixedArray<ArtField>* ifields = AllocArtFieldArray(self,allocator,it.NumInstanceFields());for (; it.HasNextInstanceField(); it.Next()) {LoadField(it, klass, &ifields->At(num_ifields));}// ...klass->SetIFieldsPtr(ifields);}
}

3.3.3 加载方法

void ClassLinker::LoadClassMembers(Thread* self,const DexFile& dex_file,const uint8_t* class_data,Handle<mirror::Class> klass) {{for (size_t i = 0; it.HasNextDirectMethod(); i++, it.Next()) {ArtMethod* method = klass->GetDirectMethodUnchecked(i, image_pointer_size_);LoadMethod(dex_file, it, klass, method);LinkCode(this, method, oat_class_ptr, class_def_method_index);// ...}for (size_t i = 0; it.HasNextVirtualMethod(); i++, it.Next()) {ArtMethod* method = klass->GetVirtualMethodUnchecked(i, image_pointer_size_);LoadMethod(dex_file, it, klass, method);LinkCode(this, method, oat_class_ptr, class_def_method_index);// ...}}
}

加载方法时分为两个步骤，LoadMethod 和 LinkCode。

void ClassLinker::LoadMethod(const DexFile& dex_file,const ClassDataItemIterator& it,Handle<mirror::Class> klass,ArtMethod* dst) {// ...dst->SetDexMethodIndex(dex_method_idx);dst->SetDeclaringClass(klass.Get());dst->SetCodeItemOffset(it.GetMethodCodeItemOffset());dst->SetDexCacheResolvedMethods(klass->GetDexCache()->GetResolvedMethods(), image_pointer_size_);uint32_t access_flags = it.GetMethodAccessFlags();// ...dst->SetAccessFlags(access_flags);
}

LoadMethod 主要是给 ArtMethod 设置访问修饰符等属性。

LinkCode 这一步骤，可以理解为是给 ArtMethod 设置方法入口，即从其他方法如何跳转到此方法进行执行。这里也分为了几种情况：

如果此方法已经通过 OAT 编译成了本地机器指令，那么这里会将入口设置为跳转到本地机器指令执行
如果是静态方法，设置跳板方法，此时不会具体指定方法如何执行，后面会在 ClassLinker::InitializeClass 里被 ClassLinker::FixupStaticTrampolines 替换掉
如果是 Native 方法，入口设置为跳转到 JNI 动态连接的方法中
如果是解释模式，入口设置为跳转到解释器中

static void LinkCode(ClassLinker* class_linker,ArtMethod* method,const OatFile::OatClass* oat_class,uint32_t class_def_method_index) REQUIRES_SHARED(Locks::mutator_lock_){if (oat_class != nullptr) {// 判断方法是否已经被 OATconst OatFile::OatMethod oat_method = oat_class->GetOatMethod(class_def_method_index);oat_method.LinkMethod(method);}// Install entry point from interpreter.const void* quick_code = method->GetEntryPointFromQuickCompiledCode();bool enter_interpreter = class_linker->ShouldUseInterpreterEntrypoint(method, quick_code);if (method->IsStatic() && !method->IsConstructor()) {// 对于静态方法，后面会在 ClassLinker::InitializeClass 里被 ClassLinker::FixupStaticTrampolines 替换掉method->SetEntryPointFromQuickCompiledCode(GetQuickResolutionStub());} else if (quick_code == nullptr && method->IsNative()) {// Native 方法跳转到 JNImethod->SetEntryPointFromQuickCompiledCode(GetQuickGenericJniStub());} else if (enter_interpreter) {// 解释模式，跳转到解释器method->SetEntryPointFromQuickCompiledCode(GetQuickToInterpreterBridge());}// ...
}

这就是解析方法的主要过程，关于方法的调用，其实还比较复杂，如果大家感兴趣，后面可以再专门说说。

3.4 加载父类和接口 -- LoadSuperAndInterfaces

自身类成员加载完成后，就去加载父类。加载父类调用的是 LoadSuperAndInterfaces，主要代码如下：

bool ClassLinker::LoadSuperAndInterfaces(Handle<mirror::Class> klass, const DexFile& dex_file) {// 加载父类ObjPtr<mirror::Class> super_class = ResolveType(dex_file, super_class_idx, klass.Get());// 检查父类可见性if (!klass->CanAccess(super_class)) {// ...}// 设置父类klass->SetSuperClass(super_class);// 加载接口const DexFile::TypeList* interfaces = dex_file.GetInterfacesList(class_def);for (size_t i = 0; i < interfaces->Size(); i++) {ObjPtr<mirror::Class> interface= ResolveType(dex_file, idx, klass.Get());// ...// 检查接口可见性if (!klass->CanAccess(interface)){}}// 此时说明类已经加载完毕了mirror::Class::SetStatus(klass, mirror::Class::kStatusLoaded, nullptr);
}

加载父类和接口都是通过 ResolveType 来的，ResolveType 中又是调用了 ClassLinker#FindClass -> ClassLinker#DefineClass 来的，于是加载父类的流程又回到了我们本小结开头。
就这样递归加载下去，直到父类全部加载完成，也就标识着类自身也加载完成了。

3.5 连接 -- LinkClass

之后就是 LinkClass，这里步骤比较清晰，我们先看一下主要代码：

bool ClassLinker::LinkClass(Thread* self,const char* descriptor,Handle<mirror::Class> klass,Handle<mirror::ObjectArray<mirror::Class>> interfaces,MutableHandle<mirror::Class>* h_new_class_out) {if (!LinkSuperClass(klass)) {return false;}// ...if (!LinkMethods(self, klass, interfaces, &new_conflict, imt_data)) {return false;}if (!LinkInstanceFields(self, klass)) {return false;}size_t class_size;if (!LinkStaticFields(self, klass, &class_size)) {return false;}// ...return true;
}

从主要代码中可以看到，主要有四个步骤：

LinkSuperClass
LinkMethods
LinkInstanceFields
LinkStaticFields

3.5.1 LinkSuperClass

这里主要是对父类权限做了一下检查，包括是否是 final，是否对子类可见（父类为 public 或者同包名），以及继承父类一些属性（包括是否有 finalize 方法，ClassFlags 等等）。

bool ClassLinker::LinkSuperClass(Handle<mirror::Class> klass) {ObjPtr<mirror::Class> super = klass->GetSuperClass();//// Verifyif (super->IsFinal() || super->IsInterface()) {}if (!klass->CanAccess(super)) {}if (super->IsFinalizable()) {klass->SetFinalizable();}if (super->IsClassLoaderClass()) {klass->SetClassLoaderClass();}uint32_t reference_flags = (super->GetClassFlags() & mirror::kClassFlagReference);klass->SetClassFlags(klass->GetClassFlags() | reference_flags);return true;
}

3.5.2 LinkMethods

LinkMethods 主要做的事情是填充 vtable 和 itable。主要通过 SetupInterfaceLookupTable，LinkVirtualMethods，LinkInterfaceMethods 三个方法来进行的：

bool ClassLinker::LinkMethods(Thread* self,Handle<mirror::Class> klass,Handle<mirror::ObjectArray<mirror::Class>> interfaces,bool* out_new_conflict,ArtMethod** out_imt) {// ...return SetupInterfaceLookupTable(self, klass, interfaces)&& LinkVirtualMethods(self, klass, /*out*/ &default_translations)&& LinkInterfaceMethods(self, klass, default_translations, out_new_conflict, out_imt);
}

SetupInterfaceLookupTable 用来填充 iftable_，就是上面说到保存接口的地方。iftable_ 对应的是 IfTable 类。IfTable 类结构如下：

class MANAGED IfTable FINAL : public ObjectArray<Object> {enum {// Points to the interface class.kInterface   = 0,// Method pointers into the vtable, allow fast map from interface method index to concrete// instance method.kMethodArray = 1,kMax         = 2,};
}

其中 kInterface 指向 Interface 的 Class 对象，kMethodArray 指向的是 vtable，通过此变量可以方便的找到接口方法的实现。

LinkVirtualMethods 和 LinkInterfaceMethods 会填充 vtable_，这里具体的代码很长，我们暂且不分析（这里具体流程对于理解本文主旨其实影响不大），有两个重要的过程是：

首先会拷贝父类的 vtable 到当前类的 vtable
如果类中覆盖了父类的抽象方法，就在 vtable 中替换掉父类的方法

通过上面两个过程，我们可以知道，vtable 中保存的就是真正方法的实现，也就是 Java 中多态的实现原理。

3.5.3 LinkInstanceFields & LinkStaticFields

这里的两个方法最终都调用了 LinkFields 方法里做了两件事情：

为了对齐内存，对 fields 进行排序
计算 Class 大小

其中 fields 排序规则如下：
引用类型 -> long (64-bit) -> double (64-bit) -> int (32-bit) -> float (32-bit) -> char (16-bit) -> short (16-bit) -> boolean (8-bit) -> byte (8-bit)

总结

通过上面的分析，我们知道了一个 Java 类在 Android ART 中的真实形态，也对 ART 中类加载的过程做了一些简单的分析。
其实在写这篇文章的时候，里面有一些知识点也会有些疑问，如果大家有任何想法，欢迎讨论~
最后用文章开始的图总结一下，回顾一下 ART 中类的全貌。

参考资料

www.zhihu.com/question/48…
blog.csdn.net/guoguodaern…

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