摘要：我們找到了許多有趣的工具和組件用來(lái)檢測(cè)狀態(tài)的各個(gè)方面，其中一個(gè)就是在運(yùn)行期通過(guò)反射了解內(nèi)部機(jī)制。由于包含多種的實(shí)現(xiàn)，就是供具體實(shí)現(xiàn)比如必須繼承的抽象類(lèi)。調(diào)試器框架是可擴(kuò)展的，這意味著可以通過(guò)繼承這個(gè)抽象類(lèi)來(lái)使用另一個(gè)調(diào)試器。

在日常工作中，我們都習(xí)慣直接使用或者通過(guò)框架使用反射。在沒(méi)有反射相關(guān)硬編碼知識(shí)的情況下，這是Java和Scala編程中使用的類(lèi)庫(kù)與我們的代碼之間進(jìn)行交互的一種主要手段。但是，使用反射僅限于JVM內(nèi)部運(yùn)行的Java和Scala代碼。假使在運(yùn)行期通過(guò)反射既能查看自己的代碼又能看到JVM的代碼，會(huì)有怎樣的效果呢 ?

當(dāng)我們開(kāi)始創(chuàng)建 Takipi 的時(shí)候，試圖尋找一種通過(guò)分析JVM堆內(nèi)存來(lái)進(jìn)行一些底層優(yōu)化的有效方法，比如掃描一個(gè)托管堆塊（managed heap block）的地址空間。我們找到了許多有趣的工具和組件用來(lái)檢測(cè)JVM狀態(tài)的各個(gè)方面，其中一個(gè)就是在運(yùn)行期通過(guò)反射了解JVM內(nèi)部機(jī)制。

譯注： Takipi是一家以色列創(chuàng)業(yè)公司，發(fā)現(xiàn)了一種構(gòu)建后端服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)的新方式，可以使用非常簡(jiǎn)化的除錯(cuò)流程幫助企業(yè)定位錯(cuò)誤。

Java可服務(wù)性代理（Serviceablity?Agent，簡(jiǎn)寫(xiě)SA）是最強(qiáng)大和最底層的Java調(diào)試工具之一。這個(gè)強(qiáng)大的工具是HotSpot?JDK自帶的。使用它不僅可以看到堆中的Java對(duì)象，還可以看到內(nèi)部 C++?對(duì)象，包括JVM本身。那才是真正魔法開(kāi)始的地方。

反射的構(gòu)成：在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)和修改對(duì)象時(shí)，無(wú)論使用何種形式的反射都不能缺少兩個(gè)必要信息。第一個(gè)是想要檢測(cè)的對(duì)象引用（或者地址）；第二個(gè)是對(duì)象結(jié)構(gòu)描述，包括所有字段的偏移量以及它們的類(lèi)型信息。如果支持動(dòng)態(tài)方法調(diào)用，這個(gè)結(jié)構(gòu)還需要包括類(lèi)方法表 （比如?vtable）的引用，以及每個(gè)方法需要的參數(shù)。

Java反射本身是非常簡(jiǎn)單的，通過(guò)反射獲取目標(biāo)對(duì)象的引用與獲取其它方式一樣。使用 Object.getClass?通用方法（最開(kāi)始從類(lèi)的字節(jié)碼中加載）獲取字段和方法結(jié)構(gòu)。真正的問(wèn)題是：如何反射JVM本身？

反射的關(guān)鍵：令人驚奇的是， JVM通過(guò)一套公開(kāi)的輸出符號(hào)暴露了其內(nèi)部的類(lèi)型系統(tǒng)。?這些符號(hào)給可服務(wù)性代理（或其他工具）提供了訪問(wèn)JVM內(nèi)部類(lèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和地址的方法。通過(guò)這些符號(hào)，幾乎可以檢測(cè)到JVM內(nèi)部在最底層運(yùn)行機(jī)制的所有方面，包括諸如原始堆地址、線程/棧地址以及編譯器內(nèi)部狀態(tài)等。

反射實(shí)戰(zhàn)：為了增加對(duì)這種方式的了解，啟動(dòng)可服務(wù)性代理的HotSpot調(diào)試程序界面，可以看到正在運(yùn)行的一些功能。將 sun.jvm.hotspot.HSDB 作為主類(lèi)參數(shù)啟動(dòng) sa-jdi.jar，可以看到與其它JVM功能強(qiáng)大調(diào)試工具，例如?jmap、jinfo?和?jstack等，一樣的底層信息。

具體實(shí)現(xiàn)：讓我們仔細(xì)了解這些由JVM提供的功能。這種方法的基礎(chǔ)是由?jvm 函數(shù)庫(kù)公開(kāi)導(dǎo)出的 gHotSpotVMStructs?結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)暴露了JVM內(nèi)部的類(lèi)型系統(tǒng)，也為我們提供了可以開(kāi)始反射的根對(duì)象地址?？梢酝ㄟ^(guò)?JNI?或者?JNA訪問(wèn)這個(gè)符號(hào)，調(diào)用方式與訪問(wèn)動(dòng)態(tài)鏈接的操作系統(tǒng)公開(kāi)系統(tǒng)庫(kù)符號(hào)一樣。

接下來(lái)問(wèn)題就變成：怎樣解析由?gHotSpotVMStructs 符號(hào)中地址的數(shù)據(jù)？從下表中可以看到，JVM不僅暴露了類(lèi)型系統(tǒng)的地址以及根對(duì)象地址，還提供一些額外的符號(hào)用來(lái)解析需要的數(shù)據(jù)值。這些數(shù)據(jù)包括已定位的類(lèi)描述符及其二進(jìn)制偏移量。

清單（manifest）： gHotSpotVMStructs 結(jié)構(gòu)指向了類(lèi)及其字段的一個(gè)列表，每個(gè)類(lèi)提供了一個(gè)字段列表。對(duì)于每個(gè)字段，該結(jié)構(gòu)提供了它的名稱(chēng)、類(lèi)型以及是否靜態(tài)字段。如果是一個(gè)靜態(tài)字段，這個(gè)結(jié)構(gòu)還會(huì)提供目標(biāo)對(duì)象的訪問(wèn)地址。該地址可用作反射JVM內(nèi)部特定組件的根，包括諸如編譯器、線程處理或者收集堆系統(tǒng)等。

可以從這里檢出 Hotspot?JDK 中可服務(wù)性代理用來(lái)解析?gHotSpotVMStructs 的實(shí)際算法。

實(shí)例：既然已經(jīng)大概了解了這些功能，現(xiàn)在看一些由該接口訪問(wèn)數(shù)據(jù)類(lèi)型的示例。那些編寫(xiě)SA代理的人，在為gHotSpotVMStructs表中的類(lèi)創(chuàng)建Java封裝時(shí)克服了很多麻煩。在訪問(wèn)大多數(shù)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)，這些封裝提供一套簡(jiǎn)潔的API，不僅類(lèi)型安全而且還隱藏了一些解析數(shù)據(jù)所必須的二進(jìn)制工作。

為了更好地了解這些API提供的強(qiáng)大功能，下面是其中的一些底層類(lèi)介紹：

VM?是一個(gè)單例類(lèi)，它暴露了JVM的許多內(nèi)部系統(tǒng)，比如線程系統(tǒng)、內(nèi)存管理以及集合功能?？梢园阉?dāng)作JVM許多子系統(tǒng)的一個(gè)入口。當(dāng)你研究API時(shí)，可以從這里入手。

JavaThread?可以讓你從JVM角度理解一個(gè)Java線程，?同時(shí)還有（編譯后的、經(jīng)過(guò)解釋的和本地）幀位置和類(lèi)型的深入信息以及實(shí)際的本地堆棧和CPU寄存器信息。

CollectedHeap?可以讓你研究收集堆（collected heap）的原始內(nèi)容。由于HotSpot包含多種GC的實(shí)現(xiàn)，CollectedHeap 就是供具體實(shí)現(xiàn)比如?ParallelScavengeHeap 必須繼承的抽象類(lèi)。每一個(gè)都提供包含Java對(duì)象實(shí)際地址的一組內(nèi)存區(qū)域。

當(dāng)你在看每個(gè)類(lèi)的實(shí)現(xiàn)時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)本質(zhì)上它們就是使用類(lèi)似反射API來(lái)查看JVM內(nèi)存硬編碼的包裝器。

C++中的反射：這些Java包裝器中的每一個(gè)都被設(shè)計(jì)為JVM內(nèi)部一個(gè)近乎完整的C++類(lèi)鏡像。我們知道，C++?沒(méi)有原生的反射能力，這就讓我們產(chǎn)生了一個(gè)疑問(wèn)：如何在這之間建立的紐帶？

答案就是JVM開(kāi)發(fā)者所了一些非常特別的事情。經(jīng)過(guò)一系列C++宏指令以及大量的艱苦工作，HotSpot?開(kāi)發(fā)小組手動(dòng)將許多內(nèi)部C++類(lèi)的字段結(jié)構(gòu)映射并加載到全局的 gHotSpotVMStructs 中。這個(gè)過(guò)程就是可以從外部進(jìn)行反射的原因。在JVM編譯期間確定了實(shí)際字段偏移量的值和布局，幫助并確保了輸出結(jié)構(gòu)兼容JVM目標(biāo)操作系統(tǒng)。

跨進(jìn)程連接：可服務(wù)性代理有另外一個(gè)強(qiáng)大的功能值得我們關(guān)注。從進(jìn)程外反射一個(gè)內(nèi)部運(yùn)行的JVM是SA框架提供的超酷功能之一，通過(guò)把可服務(wù)性代理附加到目標(biāo)JVM作為一個(gè)操作系統(tǒng)級(jí)別的調(diào)試器可以實(shí)現(xiàn)這一功能。由于 SA?代理框架是依賴(lài)于操作系統(tǒng)的，對(duì)于?Linux 會(huì)利用 gdb?調(diào)試器進(jìn)行連接，對(duì)于Windows 則會(huì)使用winDbg （這意味著需要Windows?調(diào)試工具）。調(diào)試器框架是可擴(kuò)展的，這意味著可以通過(guò)繼承?DebuggerBase?這個(gè)抽象類(lèi)來(lái)使用另一個(gè)調(diào)試器。

一旦建立了調(diào)試器的連接，gHotSpotVMStruct的返回地址值會(huì)傳回到調(diào)試器進(jìn)程，這樣可以（借助操作系統(tǒng)）開(kāi)始檢測(cè)甚至是修改目標(biāo)JVM的內(nèi)部對(duì)象系統(tǒng)。這就是HSDB如何實(shí)現(xiàn)連接并調(diào)試一個(gè)目標(biāo)JVM，包括Java代碼和JVM代碼。

希望本文能夠勾起你的興趣。 以我個(gè)人觀點(diǎn)來(lái)看，這個(gè)架構(gòu)是我最喜歡的JVM設(shè)計(jì)之一?。它的優(yōu)雅和開(kāi)放絕對(duì)令人驚嘆。在我們構(gòu)建?Takipi 實(shí)時(shí)編碼模塊時(shí)超級(jí)有用，?所以要感謝它的設(shè)計(jì)者。

你是否已經(jīng)在代碼中使用了這些API？非常樂(lè)意在下面的評(píng)論中聽(tīng)到它，或者回答你們的任何問(wèn)題。

原文 Using Reflection To Look Inside The JVM at Run-time
翻譯 黃飛飛
via importnew