Java（26）Java发射机制
JAVA反射机制
反射是什么？
反射就是reflection，Java的反射是指程序在运行期可以拿到一个对象的所有信息。
正常情况下，如果我们要调用一个对象的方法，或者访问一个对象的字段，通常会传入对象实例：
// Main.java
import com.itranswarp.learnjava.Person;
public class Main {
String getFullName(Person p) {
return p.getFirstName() + " " + p.getLastName();
}
}
但是，如果不能获得Person类，只有一个Object实例，比如这样：
String getFullName(Object obj) {
return ???
}
怎么办？有童鞋会说：强制转型啊！
String getFullName(Object obj) {
Person p = (Person) obj;
return p.getFirstName() + " " + p.getLastName();
}
强制转型的时候，你会发现一个问题：编译上面的代码，仍然需要引用Person类。不然，去掉import语句，你看能不能编译通过？
所以，反射是为了解决在运行期，对某个实例一无所知的情况下，如何调用其方法。
反射机制原理
除了int等基本类型外，Java的其他类型全部都是class（包括interface）。例如：
StringObjectRunnableException- ...
仔细思考，我们可以得出结论：class（包括interface）的本质是数据类型（Type）。无继承关系的数据类型无法赋值：
Number n = new Double(123.456); // OK
String s = new Double(123.456); // compile error!
而class是由JVM在执行过程中动态加载的。JVM在第一次读取到一种class类型时，将其加载进内存。
每加载一种class，JVM就为其创建一个Class类型的实例，并关联起来。注意：这里的Class类型是一个名叫Class的class。它长这样：
public final class Class {
private Class() {}
}
以String类为例，当JVM加载String类时，它首先读取String.class文件到内存，然后，为String类创建一个Class实例并关联起来：
Class cls = new Class(String);
这个Class实例是JVM内部创建的，如果我们查看JDK源码，可以发现Class类的构造方法是private，只有JVM能创建Class实例，我们自己的Java程序是无法创建Class实例的。
所以，JVM持有的每个Class实例都指向一个数据类型（class或interface）：
┌───────────────────────────┐
│ Class Instance │──────> String
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.String" │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│ Class Instance │──────> Random
├───────────────────────────┤
│name = "java.util.Random" │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│ Class Instance │──────> Runnable
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.Runnable"│
└───────────────────────────┘
一个Class实例包含了该class的所有完整信息：
┌───────────────────────────┐
│ Class Instance │──────> String
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.String" │
├───────────────────────────┤
│package = "java.lang" │
├───────────────────────────┤
│super = "java.lang.Object" │
├───────────────────────────┤
│interface = CharSequence...│
├───────────────────────────┤
│field = value[],hash,... │
├───────────────────────────┤
│method = indexOf()... │
└───────────────────────────┘
由于JVM为每个加载的class创建了对应的Class实例，并在实例中保存了该class的所有信息，包括类名、包名、父类、实现的接口、所有方法、字段等，因此，如果获取了某个Class实例，我们就可以通过这个Class实例获取到该实例对应的class的所有信息。
这种通过Class实例获取class信息的方法称为反射（Reflection）。
如何获取Class实例？
如何获取一个class的Class实例？有三个方法：
方法一：直接通过一个class的静态变量class获取：
Class cls = String.class;
方法二：如果我们有一个实例变量，可以通过该实例变量提供的getClass()方法获取：
String s = "Hello";
Class cls = s.getClass();
方法三：如果知道一个class的完整类名，可以通过静态方法Class.forName()获取：
Class cls = Class.forName("java.lang.String");
因为Class实例在JVM中是唯一的，所以，上述方法获取的Class实例是同一个实例。可以用==比较两个Class实例：
Class cls1 = String.class;
String s = "Hello";
Class cls2 = s.getClass();
boolean sameClass = cls1 == cls2; // true
注意一下Class实例比较和instanceof的差别：
Integer n = new Integer(123);
boolean b1 = n instanceof Integer; // true，因为n是Integer类型
boolean b2 = n instanceof Number; // true，因为n是Number类型的子类
boolean b3 = n.getClass() == Integer.class; // true，因为n.getClass()返回Integer.class
boolean b4 = n.getClass() == Number.class; // false，因为Integer.class!=Number.class
用instanceof不但匹配指定类型，还匹配指定类型的子类。而用==判断class实例可以精确地判断数据类型，但不能作子类型比较。
通常情况下，我们应该用instanceof判断数据类型，因为面向抽象编程的时候，我们不关心具体的子类型。只有在需要精确判断一个类型是不是某个class的时候，我们才使用==判断class实例。
因为反射的目的是为了获得某个实例的信息。因此，当我们拿到某个Object实例时，我们可以通过反射获取该Object的class信息：
void printObjectInfo(Object obj) {
Class cls = obj.getClass();
}
要从Class实例获取获取的基本信息，参考下面的代码：
// reflection Run
注意到数组（例如String[]）也是一种Class，而且不同于String.class，它的类名是[Ljava.lang.String。此外，JVM为每一种基本类型如int也创建了Class，通过int.class访问。
如果获取到了一个Class实例，我们就可以通过该Class实例来创建对应类型的实例：
// 获取String的Class实例:
Class cls = String.class;
// 创建一个String实例:
String s = (String) cls.newInstance();
上述代码相当于new String()。通过Class.newInstance()可以创建类实例，它的局限是：只能调用public的无参数构造方法。带参数的构造方法，或者非public的构造方法都无法通过Class.newInstance()被调用。
动态加载
JVM在执行Java程序的时候，并不是一次性把所有用到的class全部加载到内存，而是第一次需要用到class时才加载。例如：
// Main.java
public class Main {
public static void main(String[] args) {
if (args.length > 0) {
create(args[0]);
}
}
static void create(String name) {
Person p = new Person(name);
}
}
当执行Main.java时，由于用到了Main，因此，JVM首先会把Main.class加载到内存。然而，并不会加载Person.class，除非程序执行到create()方法，JVM发现需要加载Person类时，才会首次加载Person.class。如果没有执行create()方法，那么Person.class根本就不会被加载。
这就是JVM动态加载class的特性。
动态加载class的特性对于Java程序非常重要。利用JVM动态加载class的特性，我们才能在运行期根据条件加载不同的实现类。例如，Commons Logging总是优先使用Log4j，只有当Log4j不存在时，才使用JDK的logging。利用JVM动态加载特性，大致的实现代码如下：
// Commons Logging优先使用Log4j:
LogFactory factory = null;
if (isClassPresent("org.apache.logging.log4j.Logger")) {
factory = createLog4j();
} else {
factory = createJdkLog();
}
boolean isClassPresent(String name) {
try {
Class.forName(name);
return true;
} catch (Exception e) {
return false;
}
}
这就是为什么我们只需要把Log4j的jar包放到classpath中，Commons Logging就会自动使用Log4j的原因。
访问字段
对任意的一个Object实例，只要我们获取了它的Class，就可以获取它的一切信息。
我们先看看如何通过Class实例获取字段信息。Class类提供了以下几个方法来获取字段：
Field getField(name)：根据字段名获取某个public的field（包括父类）Field getDeclaredField(name)：根据字段名获取当前类的某个field（不包括父类）Field[] getFields()：获取所有public的field（包括父类）Field[] getDeclaredFields()：获取当前类的所有field（不包括父类）
我们来看一下示例代码：
// reflection
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Class stdClass = Student.class;
// 获取public字段"score":
System.out.println(stdClass.getField("score"));
// 获取继承的public字段"name":
System.out.println(stdClass.getField("name"));
// 获取private字段"grade":
System.out.println(stdClass.getDeclaredField("grade"));
}
}
class Student extends Person {
public int score;
private int grade;
}
class Person {
public String name;
}
上述代码首先获取Student的Class实例，然后，分别获取public字段、继承的public字段以及private字段，运行结果如下：
一个Field对象包含了一个字段的所有信息：
getName()：返回字段名称，例如，"name"；getType()：返回字段类型，也是一个Class实例，例如，String.class；getModifiers()：返回字段的修饰符，它是一个int，不同的bit表示不同的含义。
我们可以用反射获取该字段的信息，演示代码如下：
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Modifier;
public class Test3 {
public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException {
Field f=T.class.getDeclaredField("value");
f.getName(); // "value"
f.getType(); // class [B 表示byte[]类型
int m=f.getModifiers();
Modifier.isFinal(m); // true
Modifier.isPublic(m); // false
Modifier.isProtected(m); // false
Modifier.isPrivate(m); // true
Modifier.isStatic(m); // false
}
}
final class T{
private final byte[] value;
T(byte[] value) {
this.value = value;
}
}
注意：getDeclaredField与getField的区别
getDeclaredFiled 仅能获取类本身的属性成员（包括私有、共有、保护）
getField 仅能获取类(及其父类可以自己测试) public属性成员
获取字段值
利用反射拿到字段的一个Field实例只是第一步，我们还可以拿到一个实例对应的该字段的值。
例如，对于一个Person实例，我们可以先拿到name字段对应的Field，再获取这个实例的name字段的值：
// reflection import java.lang.reflect.Field; Run
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Object p = new Person("Xiao Ming");
Class c = p.getClass();
Field f = c.getDeclaredField("name");
Object value = f.get(p);
System.out.println(value); // "Xiao Ming"
}
}
class Person {
private String name;
public Person(String name) {
this.name = name;
}
}
上述代码先获取Class实例，再获取Field实例，然后，用Field.get(Object)获取指定实例的指定字段的值。
运行代码，如果不出意外，会得到一个IllegalAccessException，这是因为name被定义为一个private字段，正常情况下，Main类无法访问Person类的private字段。要修复错误，可以将private改为public，或者，在调用Object value = f.get(p);前，先写一句：
f.setAccessible(true);
调用Field.setAccessible(true)的意思是，别管这个字段是不是public，一律允许访问。
可以试着加上上述语句，再运行代码，就可以打印出private字段的值。
有童鞋会问：如果使用反射可以获取private字段的值，那么类的封装还有什么意义？
答案是正常情况下，我们总是通过p.name来访问Person的name字段，编译器会根据public、protected和private决定是否允许访问字段，这样就达到了数据封装的目的。
而反射是一种非常规的用法，使用反射，首先代码非常繁琐，其次，它更多地是给工具或者底层框架来使用，目的是在不知道目标实例任何信息的情况下，获取特定字段的值。
此外，setAccessible(true)可能会失败。如果JVM运行期存在SecurityManager，那么它会根据规则进行检查，有可能阻止setAccessible(true)。例如，某个SecurityManager可能不允许对java和javax开头的package的类调用setAccessible(true)，这样可以保证JVM核心库的安全。
设置字段值
通过Field实例既然可以获取到指定实例的字段值，自然也可以设置字段的值。
设置字段值是通过Field.set(Object, Object)实现的，其中第一个Object参数是指定的实例，第二个Object参数是待修改的值。示例代码如下：
// reflection import java.lang.reflect.Field;
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Person p = new Person("Xiao Ming");
System.out.println(p.getName()); // "Xiao Ming"
Class c = p.getClass();
Field f = c.getDeclaredField("name");
f.setAccessible(true);
f.set(p, "Xiao Hong");
System.out.println(p.getName()); // "Xiao Hong"
}
}
class Person {
private String name;
public Person(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return this.name;
}
}
运行上述代码，打印的name字段从Xiao Ming变成了Xiao Hong，说明通过反射可以直接修改字段的值。
同样的，修改非public字段，需要首先调用setAccessible(true)。
....TODO还有一些知识点。。。。https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1264803678201760
动态代理
我们来比较Java的class和interface的区别：
- 可以实例化
class（非abstract）； - 不能实例化
interface。
所有interface类型的变量总是通过向上转型并指向某个实例的：
CharSequence cs = new StringBuilder();
有没有可能不编写实现类，直接在运行期创建某个interface的实例呢？
这是可能的，因为Java标准库提供了一种动态代理（Dynamic Proxy）的机制：可以在运行期动态创建某个interface的实例。
什么叫运行期动态创建？听起来好像很复杂。所谓动态代理，是和静态相对应的。我们来看静态代码怎么写：
定义接口：
public interface Hello {
void morning(String name);
}
编写实现类：
public class HelloWorld implements Hello {
public void morning(String name) {
System.out.println("Good morning, " + name);
}
}
创建实例，转型为接口并调用：
Hello hello = new HelloWorld();
hello.morning("Bob");
这种方式就是我们通常编写代码的方式。
还有一种方式是动态代码，我们仍然先定义了接口Hello，但是我们并不去编写实现类，而是直接通过JDK提供的一个Proxy.newProxyInstance()创建了一个Hello接口对象。这种没有实现类但是在运行期动态创建了一个接口对象的方式，我们称为动态代码。JDK提供的动态创建接口对象的方式，就叫动态代理。
一个最简单的动态代理实现如下：
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
InvocationHandler handler = new InvocationHandler() {
@Override
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
System.out.println(method);
if (method.getName().equals("morning")) {
System.out.println("Good morning, " + args[0]);
}
return null;
}
};
Hello hello = (Hello) Proxy.newProxyInstance(
Hello.class.getClassLoader(), // 传入ClassLoader
new Class[] { Hello.class }, // 传入要实现的接口
handler); // 传入处理调用方法的InvocationHandler
hello.morning("Bob");
}
}
interface Hello {
void morning(String name);
}
在运行期动态创建一个interface实例的方法如下：
-
定义一个
InvocationHandler实例，它负责实现接口的方法调用； -
通过
Proxy.newProxyInstance()创建interface实例，它需要3个参数：- 使用的
ClassLoader，通常就是接口类的ClassLoader； - 需要实现的接口数组，至少需要传入一个接口进去；
- 用来处理接口方法调用的
InvocationHandler实例。
- 使用的
-
将返回的
Object强制转型为接口。
动态代理实际上是JDK在运行期动态创建class字节码并加载的过程，它并没有什么黑魔法，把上面的动态代理改写为静态实现类大概长这样：
public class HelloDynamicProxy implements Hello {
InvocationHandler handler;
public HelloDynamicProxy(InvocationHandler handler) {
this.handler = handler;
}
public void morning(String name) {
handler.invoke(
this,
Hello.class.getMethod("morning"),
new Object[] { name });
}
}
其实就是JDK帮我们自动编写了一个上述类（不需要源码，可以直接生成字节码），并不存在可以直接实例化接口的黑魔法。
小结
Java标准库提供了动态代理功能，允许在运行期动态创建一个接口的实例；
动态代理是通过Proxy创建代理对象，然后将接口方法“代理”给InvocationHandler完成的。
