about-runtime-class-getclass.md

关于Java中Runtime.class.getClass()的细节分析

_{* 在之前的《浅析Java序列化和反序列化》一文的Payload构造章节中出现了一大堆的Class、Method和Object，让很多代码基础较弱的同学一脸懵逼。其中一个比较诡异的逻辑Runtime.class.getClass()，有朋友问它的结果为什么是java.lang.Class。对于这个问题，有Java语言基础的同学一般会回答『对象的类型本来就是Class，而Class也是对象，它的类型当然也是Class』，道理没错，但仔细想想，这还真是一个挺有意思的问题。}

关于Class的名称

我们先重写一下这个问题的代码：

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

通过断点调试观察变量，rt和clz同样都是Class对象，但rt无论是打印输出还是调用getTypeName()得到的都是『java.lang.Runtime』，而clz则是『java.lang.Class』。

为什么不一样？难道Runtime是Class的子类？当然不是，Runtime可是Object的亲儿子。

机智的你一定会跟进Class中看看它的toString()和getTypeName()两个方法的代码逻辑，原来它们都是调用getName()返回由这个Class所表示的对象的名称。

关于.class和getClass()

由此可知，new Object().getClass()得到的应该是名称为『java.lang.Object』的Class，记作class java.lang.Object （以下类似） ，而Runtime.class拿到的Class作为Object的子类，调用getClass()得到的却是class java.lang.Class。

因此，我们需要对比一下这两种获取Class的方法的区别：

• .class，又称『类字面量』，只能作用于类的关键字，返回编译时确定的类型

  Object.class

• getClass()，Object的实例方法，返回运行时确定的类型

  new Object().getClass()

在一般情况下，它俩的结果是可以相等的：

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

但当存在多态时，后者的区别就体现出来了：

class gyyyy {}

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

让我们回到最初的那个问题，答案已经呼之欲出了：Runtime.class获取的是class java.lang.Runtime，而该Class调用getClass()时，运行时确定的类型为Class而非方法拥有者Object，所以得到的第二个Class为class java.lang.Class。

看到这，一定有同学开始骂我又在水文章了：裤子都脱了你就给我看这个？说来说去都是一堆废话，跟没说一样。

别急，我们继续。

JVM基础

既然上面的两种方法分别提到了编译时和运行时，不妨让我们站在JVM的角度再玩深一点。

先科普几个JVM相关的基础知识，让大家有个整体概念，其他的内容如果在后续分析过程中遇到了再穿插介绍。

Classfile

每个类 （包括内部类、匿名类、接口、注解、枚举和数组等） 经过编译后，都会单独生成一个.class文件，里面是一堆用于表示和描述该类的字节码，Java规范中管它叫Classfile。

Classfile中的核心内容如下：

• 常量池 （Constant Pool）
• 访问权限标识 （Access Flags）
• 类 （This Class） 、父类 （Super Class） 、接口集合 （Interfaces）
• 字段集合 （Fields）
• 方法集合 （Methods）
• 属性集合 （Attributes）

其中，常量池里存放了该类编译前声明和编译中优化计算的所有值，包括原始类型和引用类型 （符号引用） ，类相关信息都以名称和描述为主，但不涉及任何具体的值或引用 （都依赖常量池索引） 。属性集合中则存放了类、字段和方法所可能需要的属性信息，如类源文件信息、方法代码段、方法代码段的本地变量表等。

运行时内存基本结构

• 运行时数据区
  • 线程共享
    • 堆 （Heap）
      • 方法区 （Method Area）
        • 类 （Class）
          • 运行时常量池 （Run-Time Constant Pool）
      • 对象 （Objects）
  • 线程私有
    • 线程 （Threads）
      • 程序计数器 （Program Counter, PC）
      • JVM堆栈 （JVM Stack）
        • 帧 （Frames）
          • 本地变量表 （Local Variables）
          • 操作数栈 （Operand Stacks）

其中，线程共享部分随JVM启动而创建，线程私有部分随线程创建而创建。Frame中存放的是方法数据而非Class数据，但一般来说，Object和方法的代码实现中都会存放它所属Class的引用。

需要注意的是，上面列出的Class和Object大致分别对应在Java代码中使用class或interface关键字声明的类和根据它们创建的类实例，而Java语言规范中所描述的Class和Object严格意义上来说都属于Class。

加载、链接和初始化

• 加载，是指根据指定名称寻找并读取Classfile，将其转换成Class的过程
• 链接，是指解析Class中的符号引用，并转换为运行时状态的过程
• 初始化，是指执行Class的<cinit>方法的过程

在这个阶段中，可以为Class创建一个新的java/lang/Class的Object，在其中定义一个字段中存放当前Class的引用，并将这个Object的引用放入Class中作为其类对象 （非JVM规范，由实现方自行决定） ，而这个所谓的类对象，就是我们最开始通过.class和getClass()获取到的那个Class对象。

方法执行过程

由于篇幅原因，这里只简单介绍实例方法的执行过程：

• 从常量池中取出方法引用，计算该方法参数个数
• 从操作数栈弹出当前类对象引用和其他参数，组成参数列表
• 为该方法创建新的Frame，将参数放入它的本地变量表中，将其压入JVM栈顶
• 解析并执行该方法代码段的指令集

方法的执行结果并不会直接返回给调用方，而是由return系列的指令将当前操作数栈顶元素取出，压入JVM栈中调用方所属Frame的操作数栈中。

刨根问底

现在，我们将示例代码放入main函数中，这段代码经过编译后会变成以下指令：

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

（#x代表常量池索引值，可能会因为示例代码差异而不同。如果使用链式结构Runtime.class.getClass()，第2、3条指令会省略）

大致解释一下：

• ldc指令会从常量池中取索引为2的元素，此时取到的是名为java/lang/Runtime的类引用类型常量，根据JVM规范的描述，如果是类引用类型常量，需要获取它的类对象引用 （在前面加载、链接和初始化部分提到过的那个Object） ，再将其压入操作数栈 （对应Runtime.class）
• astore_1指令会弹出操作数栈顶元素，放入本地变量表的1位置 （0位置是main方法参数args） ，此时该位置的变量名为rt （对应Class rt =）
• aload_1指令会从本地变量表中读取元素压入操作数栈 （对应rt）
• invokevirtual指令会从常量池中取索引为3的元素，此时取到的是名为java/lang/Object.getClass的方法引用类型常量，再弹出操作数栈顶获得之前ldc得到的类对象引用作为第一个参数，为该方法创建新的Frame并压入JVM堆栈，执行该方法的指令集，return时将结果压入方法调用方的操作数栈 （对应.getClass()）
• astore_2指令会弹出栈顶元素，放入本地变量表的2位置，此时该位置的变量名为clz （对应Class clz =）

由此，我们可以明确的知道变量rt存放的是java/lang/Runtime的类对象引用，变量clz存放的是java/lang/Class的类对象引用。由于类对象是在Class的链接过程中创建的，而在JVM中每个Class又是唯一的单例，因此同一个类以及它不同的实例获取到的类对象都是同一个。

结论不变。