本文介紹了Metaclass在Groovy中的存放方式，并對(duì)不同的情況(Per-class Metaclass、POGO Per-instance Metaclass和POJO Per-instance Metaclass)進(jìn)行了分析。
注：以下分析的Groovy源代碼來(lái)自Groovy 1.7.1，所有測(cè)試代碼在Groovy 1.7.1下測(cè)試通過(guò)。
Metaclass
用過(guò)Groovy的程序員都或多或少、直接或間接的接觸過(guò)Metaclass。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Metaclass就是Class的Class，Class定義了該類實(shí)例的行為，Metaclass則定義了該類及其實(shí)例的行為(
http://en.wikipedia.org/wiki/Metaclass)。Groovy通過(guò)Metaclass使程序可以在運(yùn)行時(shí)修改/添加類的方法、屬性等。
Per-class Metaclass
在Groovy中，每個(gè)Class都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的Metaclass，通過(guò)這個(gè)Metaclass可以給這個(gè)Class添加方法或?qū)傩裕?br />
1 // 給String類添加了一個(gè)名為capitalize的方法
2 String.metaClass.capitalize = { -> delegate[0].toUpperCase() + delegate[1..-1] }
3 // 給String類添加了一個(gè)名為spaceCount的只讀屬性
4 String.metaClass.getSpaceCount = { -> delegate.count(' ') }
5
6 assert "this is groovy".capitalize() == "This is groovy"
7 assert "this is not ruby".spaceCount == 3
除此之外，還可以替換Class對(duì)應(yīng)的Metaclass：
1 def newMetaClass = new ExpandoMetaClass(Integer)
2 newMetaClass.initialize()
3 // 替換Integer類的Metaclass
4 Integer.metaClass = newMetaClass
5 assert Integer.metaClass == newMetaClass
但是，Class對(duì)應(yīng)的Metaclass到底存放在哪里呢？
我們可以知道，Java的Class類中是沒(méi)有存放Metaclass的屬性的，而Groovy中的Class類就是Java中的Class類。那么，Groovy就需要一個(gè)全局的Map來(lái)存放每個(gè)Class對(duì)應(yīng)的Metaclass了，其中每個(gè)Entry的key是Class，value則是Metaclass。這個(gè)全局的Map不需要對(duì)key(Class)進(jìn)行排序，所以可以使用HashMap；應(yīng)該通過(guò)是否是同一個(gè)實(shí)例來(lái)判斷key的相等性，所以應(yīng)該是一個(gè)IdentityHashMap；不應(yīng)該妨礙Class被回收，而且Class被回收時(shí)對(duì)應(yīng)的Metaclass也應(yīng)該被回收，所以應(yīng)該是一個(gè)WeakHashMap；可能被多個(gè)線程同時(shí)使用，所以應(yīng)該是一個(gè)ConcurrentHashMap。總的來(lái)說(shuō)，這個(gè)全局的Map應(yīng)該是一個(gè)WeakIdentityConcurrentHashMap。
在Groovy中，這個(gè)全局的Map其實(shí)就是groovy.lang.MetaClassRegistry，不過(guò)在實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)上有所區(qū)別(或者說(shuō)更加復(fù)雜)。MetaClassRegistry是一個(gè)interface，它在Groovy中的唯一實(shí)現(xiàn)是org.codehaus.groovy.runtime.metaclass.MetaClassRegistryImpl。我們主要來(lái)看MetaClassRegistryImpl中的getMetaClass方法，這個(gè)方法用于查找Class對(duì)應(yīng)的Metaclass。
1 public final MetaClass getMetaClass(Class theClass) {
2 return ClassInfo.getClassInfo(theClass).getMetaClass();
3 }
我們?cè)賮?lái)看看ClassInfo的getClassInfo靜態(tài)方法：
1 public static ClassInfo getClassInfo(Class cls) {
2 // localMapRef的類型是WeakReference<ThreadLocalMapHandler>
3 ThreadLocalMapHandler handler = localMapRef.get();
4 SoftReference<LocalMap> ref=null;
5 if (handler!=null) ref = handler.get();
6 LocalMap map=null;
7 if (ref!=null) map = ref.get();
8 if (map!=null) return map.get(cls);
9 // 只有當(dāng)localMapRef或ref已被回收時(shí)，才會(huì)調(diào)用下面的代碼
10 // globalClassSet的類型是ClassInfoSet
11 return (ClassInfo) globalClassSet.getOrPut(cls,null);
12 }
ClassInfo中使用靜態(tài)的globalClassSet存儲(chǔ)Metaclass，不過(guò)并不是直接存儲(chǔ)Class到Metaclass的映射，而是Class到ClassInfo的映射，而ClassInfo則包含了Groovy中跟Class相關(guān)的內(nèi)部屬性，其中就包括了Metaclass。
globalClassSet的類型是ClassInfoSet，而ClassInfoSet類繼承了ManagedConcurrentMap<Class,ClassInfo>類型，而ManagedConcurrentMap其實(shí)就是Weak(Soft)IdentityConcurrentHashMap。限于篇幅，我們?cè)谶@里就不分析ManagedConcurrentMap和ClassInfoSet的代碼了。
再回到ClassInfo的getClassInfo方法，其中第3到8行實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于ThreadLocal的兩級(jí)cache。我們先來(lái)看第5行的“handler.get()”，這里調(diào)用了ThreadLocalMapHandler的get方法：
1 private static class ThreadLocalMapHandler extends ThreadLocal<SoftReference<LocalMap>> {
2 SoftReference<LocalMap> recentThreadMapRef; // 最近一次使用的引用
3 
4 public SoftReference<LocalMap> get() {
5 SoftReference<LocalMap> mapRef = recentThreadMapRef;
6 LocalMap recent = null;
7 if (mapRef!=null) recent = mapRef.get();
8 // 如果最近一次使用的引用就是由當(dāng)前進(jìn)程創(chuàng)建的，則直接返回該引用，否則才調(diào)用ThreadLocal的get方法。這樣可以減少在ThreadLocal.get()中查找Map的消耗
9 if (recent != null && recent.myThread.get() == Thread.currentThread()) {
10 return mapRef;
11 } else {
12 SoftReference<LocalMap> ref = super.get();
13 recentThreadMapRef = ref; // 更新最近一次使用的引用
14 return ref;
15 }
16 }
17 }
再來(lái)看ClassInfo.getClassInfo(Class)中第8行的“map.get(cls)”，這里調(diào)用了LocalMap的get方法：
1 private static final class LocalMap extends HashMap<Class,ClassInfo> { // LocalMap本身就是二級(jí)cache
2 private static final int CACHE_SIZE = 5;
3
4 private final ClassInfo[] cache = new ClassInfo[CACHE_SIZE]; // 這是大小為5的一級(jí)cache
5
6 public ClassInfo get(Class key) {
7 ClassInfo info = getFromCache(key); // 先在一級(jí)cache中查找
8 if (info != null)
9 return info;
10
11 info = super.get(key); // 再在二級(jí)cache中查找
12 if (info != null)
13 return putToCache(info); // 寫(xiě)入一級(jí)cache
14
15 // 如果在兩級(jí)cache中都找不到，則在globalClassSet中查找，再將結(jié)果寫(xiě)入一級(jí)cache
16 return putToCache((ClassInfo) globalClassSet.getOrPut(key,null));
17 }
18
19 }
注意，這里并沒(méi)有將任何的結(jié)果寫(xiě)入到二級(jí)cache中，因此二級(jí)cache永遠(yuǎn)是空的。我認(rèn)為這可能是被遺漏了，也可能是發(fā)現(xiàn)了二級(jí)cache占用了大量?jī)?nèi)存(或者效果并不明顯)，所以將寫(xiě)入二級(jí)cache的語(yǔ)句去掉了，但是忘了去掉在二級(jí)cache中查找的語(yǔ)句。
最后，在MetaClassRegistryImpl.getMetaClass(Class)方法中，查找到Class對(duì)應(yīng)的ClassInfo后，再調(diào)用ClassInfo的getMetaClass方法獲得Class對(duì)應(yīng)的Metaclass。但是ClassInfo.getMetaClass()并不是簡(jiǎn)單的返回Metaclass，其中還分為對(duì)Metaclass的強(qiáng)引用和弱引用兩種情況。由于這已經(jīng)超出了本文討論的范圍，因此不再深入，對(duì)此有興趣的讀者可閱讀分析相關(guān)代碼。
POGO Per-instance Metaclass
POGO的全稱是Plain Old Groovy Object，一般指的就是用Groovy編寫(xiě)的對(duì)象。每個(gè)POGO實(shí)例都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的Metaclass，默認(rèn)情況下該Metaclass與類的Metaclass相同：
1 class POGO {} // 這是一個(gè)用Groovy編寫(xiě)的對(duì)象
2
3 def pogo = new POGO()
4 assert pogo.metaClass == POGO.metaClass // 默認(rèn)情況下POGO實(shí)例的Metaclass與類的Metaclass相同
5
6 pogo.metaClass.hello = { -> println 'Hello' }
7 assert pogo.metaClass != POGO.metaClass // 修改POGO實(shí)例的Metaclass后，該P(yáng)OGO實(shí)例將擁有獨(dú)立的Metaclass
我們通過(guò)groovyc編譯上面的腳本，再通過(guò)javap反匯編POGO類，最后手工反編譯字節(jié)碼，可以得到以下代碼：
1 public class POGO implements GroovyObject { // 用Groovy編寫(xiě)的類都實(shí)現(xiàn)了GroovyObject接口
2
3 private transient MetaClass metaClass; // 用于存儲(chǔ)實(shí)例對(duì)應(yīng)的Metaclass
4
5 public MetaClass getMetaClass() { // 實(shí)現(xiàn)了GroovyObject.getMetaClass()方法
6 if (metaClass != null)
7 return metaClass;
8 metaClass = $getStaticMetaClass(); // 默認(rèn)情況下返回類的Metaclass
9 return metaClass;
10 }
11
12 public void setMetaClass(MetaClass metaClass) { // 實(shí)現(xiàn)了GroovyObject.setMetaClass(MetaClass)方法
13 this.metaClass = metaClass;
14 }
15
16 protected MetaClass $getStaticMetaClass() {
17 ClassInfo classinfo = $staticClassInfo;
18 if (classinfo == null)
19 $staticClassInfo = classinfo = ClassInfo.getClassInfo(getClass());
20 return classinfo.getMetaClass();
21 }
22
23 }
容易看出，POGO都實(shí)現(xiàn)了GroovyObject接口，而該接口中的getMetaClass和setMetaClass方法分別負(fù)責(zé)實(shí)例對(duì)應(yīng)的Metaclass的讀和寫(xiě)。而POGO實(shí)例對(duì)應(yīng)的Metaclass則直接存放在實(shí)例中的metaClass字段中。
POJO Per-instance Metaclass
與POGO類似的，POJO一般指的就是用Java編寫(xiě)的對(duì)象。自Groovy 1.6開(kāi)始，可以為每個(gè)POJO實(shí)例設(shè)置不同的Metaclass了：
1 def s1 = "this is groovy"
2 def s2 = "this is not ruby"
3 assert s1.size() == 14
4 assert s2.size() == 16
5 s1.metaClass.size = { -> 10 } // 只修改s1的Metaclass
6 assert s1.size() == 10
7 assert s2.size() == 16
與Per-class Metaclass的情況一樣(其實(shí)Class也是一個(gè)Java類)，POJO中并沒(méi)有存放Metaclass的屬性，所以需要用一個(gè)(或每個(gè)類一個(gè))WeakIdentityConcurrentHashMap來(lái)存放Object到Metaclass的映射關(guān)系。
POJO Per-instance Metaclass是通過(guò)MetaClassRegistryImpl的getMetaClass(Object)和setMetaClass(Object, MetaClass)方法實(shí)現(xiàn)讀和寫(xiě)的，但是這兩個(gè)方法并沒(méi)有加入到MetaClassRegistry接口中(可能是為了保持兼容性)。我們主要看一下MetaClassRegistryImpl.getMetaClass(Object)方法：
1 public MetaClass getMetaClass(Object obj) {
2 return ClassInfo.getClassInfo(obj.getClass()).getMetaClass(obj);
3 }
跟getMetaClass(Class)方法一樣，先通過(guò)ClassInfo.getClassInfo(Class)方法查找ClassInfo實(shí)例。接著調(diào)用了ClassInfo.getMetaClass(Object)方法，我們來(lái)看看這個(gè)方法：
1 public MetaClass getMetaClass(Object obj) {
2 final MetaClass instanceMetaClass = getPerInstanceMetaClass(obj);
3 if (instanceMetaClass != null)
4 return instanceMetaClass;
5
6 // 如果沒(méi)有為該對(duì)象設(shè)置Metaclass，則返回類的Metaclass，即默認(rèn)的Metaclass就是類的Metaclass
7 lock();
8 try {
9 return getMetaClassUnderLock();
10 } finally {
11 unlock();
12 }
13 }
14
15 public MetaClass getPerInstanceMetaClass(Object obj) {
16 if (perInstanceMetaClassMap == null)
17 return null;
18
19 return (MetaClass) perInstanceMetaClassMap.get(obj);
20 }
getMetaClass(Object)方法先從perInstanceMetaClassMap屬性中查找obj對(duì)應(yīng)的Metaclass，而perInstanceMetaClassMap屬性的類型是ManagedConcurrentMap，沒(méi)錯(cuò)，就是我們上面提到過(guò)的Weak(Soft)IdentityConcurrentHashMap的實(shí)現(xiàn)。
也就是說(shuō)，POJO對(duì)應(yīng)的Metaclass是存放在它的Class對(duì)應(yīng)的ClassInfo中的一個(gè)ManagedConcurrentMap中的。
總結(jié)
總的來(lái)說(shuō)，在各種情況下，Metaclass的存放方式如下：
- Per-class Metaclass：存放在Class對(duì)應(yīng)的ClassInfo中，而Class到ClassInfo的映射關(guān)系則存放在ClassInfo中的一個(gè)靜態(tài)的ManagedConcurrentMap中；
- POGO Per-instance Metaclass：直接存放在對(duì)象的metaClass字段中。
- POJO Per-instance Metaclass：對(duì)象到Metaclass的映射關(guān)系存放在該對(duì)象的Class對(duì)應(yīng)的ClassInfo中的一個(gè)ManagedConcurrentMap中。
以上分析有不當(dāng)之處敬請(qǐng)指出，謝謝大家的閱讀。