手记

Java反射:框架设计的灵魂

要想理解反射的原理,首先要了解什么是类型信息。Java让我们在运行时识别对象和类的信息,主要有两种方式:一种是传统的RTTI(Run-Time Type Identification),它假定我们在编译时已经知道了所有的类型信息;另一种是反射机制,它允许我们在运行时发现和使用类的信息。
使用的前提条件:必须先得到代表的字节码的Class,Class类用于表示.class文件(字节码)

一、反射的概述

JAVA反射机制是在运行状态中,对于任意一个类,都能够知道这个类的所有属性和方法;对于任意一个对象,都能够调用它的任意一个方法和属性;这种动态获取的信息以及动态调用对象的方法的功能称为Java语言的反射机制。
要想解剖一个类,必须先要获取到该类的字节码文件对象。而解剖使用的就是Class类中的方法。所以先要获取到每一个字节码文件对应的Class类型的对象.。

反射就是把Java类中的各种成分映射成一个个的Java对象。
例如:
一个类有:成员变量、方法、构造方法、包等等信息,利用反射技术可以对一个类进行解剖,把各个组成部分映射成一个个对象。
(其实:一个类中这些成员方法、构造方法,在加入类中都有一个类来描述)
如图是类的正常加载过程:反射的原理在于class对象。
熟悉一下加载的时候:Class对象的由来是将class文件读入内存,并为之创建一个Class对象。

二、反射的理解

反射之中包含了一个「反」字,所以想要解释反射就必须先从「正」开始解释。

一般情况下,我们使用某个类时必定知道它是什么类,是用来做什么的。于是我们直接对这个类进行实例化,之后使用这个类对象进行操作。
如:

Phone phone = new Phone(); //直接初始化,「正射」
phone.setPrice(4);

上面这样子进行类对象的初始化,我们可以理解为「正」。

而反射则是一开始并不知道我要初始化的类对象是什么,自然也无法使用 new 关键字来创建对象了。

这时候,我们使用 JDK 提供的反射 API 进行反射调用:

Class clz = Class.forName("com.xxp.reflect.Phone");
Method method = clz.getMethod("setPrice", int.class);
Constructor constructor = clz.getConstructor();
Object object = constructor.newInstance();
method.invoke(object, 4);

上面两段代码的执行结果,其实是完全一样的。但是其思路完全不一样,第一段代码在未运行时就已经确定了要运行的类(Phone),而第二段代码则是在运行时通过字符串值才得知要运行的类(com.xxp.reflect.Phone)。

所以说什么是反射?反射就是在运行时才知道要操作的类是什么,并且可以在运行时获取类的完整构造,并调用对应的方法。

一个简单的例子:
上面提到的示例程序,其完整的程序代码如下:

public class Phone {
    private int price;
    public int getPrice() {
        return price;
    }
    public void setPrice(int price) {
        this.price = price;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        //正常的调用
        Phone phone = new Phone();
        phone.setPrice(5000);
        System.out.println("Phone Price:" + phone.getPrice());
        //使用反射调用
        Class clz = Class.forName("com.xxp.api.Phone");
        Method setPriceMethod = clz.getMethod("setPrice", int.class);
        Constructor phoneConstructor = clz.getConstructor();
        Object phoneObj = phoneConstructor.newInstance();
        setPriceMethod.invoke(phoneObj, 6000);
        Method getPriceMethod = clz.getMethod("getPrice");
        System.out.println("Phone Price:" + getPriceMethod.invoke(phoneObj));
    }
}

从代码中可以看到我们使用反射调用了 setPrice 方法,并传递了 6000 的值。之后使用反射调用了 getPrice 方法,输出其价格。上面的代码整个的输出结果是:

Phone Price:5
Phone Price:14
从这个简单的例子可以看出,一般情况下我们使用反射获取一个对象的步骤:

//获取类的 Class 对象实例
Class clz = Class.forName("com.xxp.api.Phone");
//根据 Class 对象实例获取 Constructor 对象
Constructor phoneConstructor = clz.getConstructor();
//使用 Constructor 对象的 newInstance 方法获取反射类对象
Object phoneObj = phoneConstructor.newInstance();

而如果要调用某一个方法,则需要经过下面的步骤:

//获取方法的 Method 对象
Method setPriceMethod = clz.getMethod("setPrice", int.class);
//利用 invoke 方法调用方法
setPriceMethod.invoke(phoneObj, 6000);

到这里,我们已经能够掌握反射的基本使用。但如果要进一步掌握反射,还需要对反射的常用 API 有更深入的理解。

三、反射的常用API

在 JDK 中,反射相关的 API 可以分为下面几个方面:获取反射的 Class 对象、通过反射创建类对象、通过反射获取类属性方法及构造器。

反射常用API:
获取反射中的Class对象
在反射中,要获取一个类或调用一个类的方法,我们首先需要获取到该类的 Class 对象。
在 Java API 中,获取 Class 类对象有三种方法:

  1. 使用 Class.forName 静态方法。当知道某类的全路径名时,可以使用此方法获取 Class 类对象。用的最多,但可能抛出 ClassNotFoundException 异常。
    Class c1 = Class.forName(“java.lang.String”);

  2. 直接通过 类名.class 的方式得到,该方法最为安全可靠,程序性能更高。这说明任何一个类都有一个隐含的静态成员变量 class。这种方法只适合在编译前就知道操作的 Class。
    Class c2 = String.class;

  3. 通过对象调用 getClass() 方法来获取,通常应用在:比如你传过来一个 Object类型的对象,而我不知道你具体是什么类,用这种方法。

String str = new String("Hello");
Class c3 = str.getClass();

需要注意的是:一个类在 JVM 中只会有一个 Class 实例,即我们对上面获取的 c1、c2和c3进行 equals 比较,发现都是true。

通过反射创建类对象
通过反射创建类对象主要有两种方式:通过 Class 对象的 newInstance() 方法、通过 Constructor 对象的 newInstance() 方法。

  1. 通过 Class 对象的 newInstance() 方法。
    Class clz = Phone.class;
    Phone phone = (Phone)clz.newInstance();

  2. 通过 Constructor 对象的 newInstance() 方法

Class clz = Phone.class;
Constructor constructor = clz.getConstructor();
Phone phone= (Phone)constructor.newInstance();

通过 Constructor 对象创建类对象可以选择特定构造方法,而通过 Class 对象则只能使用默认的无参数构造方法。下面的代码就调用了一个有参数的构造方法进行了类对象的初始化。

Class clz = Phone.class;
Constructor constructor = clz.getConstructor(String.class, int.class);
Phone phone = (Phone)constructor.newInstance("华为",6666);

通过反射获取类属性、方法、构造器
我们通过 Class 对象的 getFields() 方法可以获取 Class 类的属性,但无法获取私有属性。

Class clz = Phone.class;
Field[] fields = clz.getFields();
for (Field field : fields) {
    System.out.println(field.getName());
}

输出结果是:
price
而如果使用 Class 对象的 getDeclaredFields() 方法则可以获取包括私有属性在内的所有属性:

Class clz = Phone.class;
Field[] fields = clz.getDeclaredFields();
for (Field field : fields) {
    System.out.println(field.getName());
}

输出结果是:
name
price
与获取类属性一样,当我们去获取类方法、类构造器时,如果要获取私有方法或私有构造器,则必须使用有 declared 关键字的方法。

附:查阅 API 可以看到 Class 有很多方法:
  getName():获得类的完整名字。
  getFields():获得类的public类型的属性。
  getDeclaredFields():获得类的所有属性。包括private 声明的和继承类
  getMethods():获得类的public类型的方法。
  getDeclaredMethods():获得类的所有方法。包括private 声明的和继承类
  getMethod(String name, Class[] parameterTypes):获得类的特定方法,name参数指定方法的名字,parameterTypes 参数指定方法的参数类型。
  getConstructors():获得类的public类型的构造方法。
  getConstructor(Class[] parameterTypes):获得类的特定构造方法,parameterTypes 参数指定构造方法的参数类型。
  newInstance():通过类的不带参数的构造方法创建这个类的一个对象。

四、反射源码解析

当我们懂得了如何使用反射后,今天我们就来看看 JDK 源码中是如何实现反射的。或许大家平时没有使用过反射,但是在开发 Web 项目的时候会遇到过下面的异常:

java.lang.NullPointerException 
...
sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
  at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:369)

可以看到异常堆栈指出了异常在 Method 的第 369 的 invoke 方法中,其实这里指的 invoke 方法就是我们反射调用方法中的 invoke。

Method method = clz.getMethod("setPrice", int.class); 
method.invoke(object, 6);   //就是这里的invoke方法

例如我们经常使用的 Spring 配置中,经常会有相关 Bean 的配置:

<bean class="com.xxp.Phone">
</bean>

当我们在 XML 文件中配置了上面这段配置之后,Spring 便会在启动的时候利用反射去加载对应的 Phone类。而当 Apple 类不存在或发生启发异常时,异常堆栈便会将异常指向调用的 invoke 方法。

从这里可以看出,我们平常很多框架都使用了反射,而反射中最重要的就是 Method 类的 invoke 方法了。

五、反射总结

  

我们知道反射机制允许程序在运行时取得任何一个已知名称的class的内部信息,包括包括其modifiers(修饰符),fields(属性),methods(方法)等,并可于运行时改变fields内容或调用methods。那么我们便可以更灵活的编写代码,代码可以在运行时装配,无需在组件之间进行源代码链接,降低代码的耦合度;还有动态代理的实现;JDBC原生代码注册驱动;hibernate 的实体类;Spring的AOP等等。但是凡事都有两面性,反射使用不当会造成很高的资源消耗!

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