Java系列笔记(2) - Java RTTI和反射机制

目录

1. 前言
2. 传统的RTTI
3. 反射
4. 反射的实现方式
5. 反射的性能
6. 反射与设计模式

前言

并不是所有的Class都能在编译时明确，因此在某些情况下需要在运行时再发现和确定类型信息（比如：基于构建编程，），这就是RTTI（Runtime Type Information，运行时类型信息）。

在java中，有两种RTTI的方式，一种是传统的，即假设在编译时已经知道了所有的类型；还有一种，是利用反射机制，在运行时再尝试确定类型信息。

本文主要讲反射方式实现的RTTI，建议在阅读本文之前，先了解类的加载机制（参考我的博客：Java系列笔记(1) - Java 类加载与初始化）。

在本文中，将共同使用下面的玩具类Toy，该类中定义了公有、私有方法，变量，构造方法，父类、父接口等：

package myblog.rtti;

/**
 * @project MyBlog
 * @create 2013年6月28日 下午4:42:46
 * @version 1.0.0
 * @author 张广
 */
public interface IToy {
        public String playToy(String player) throws Exception;
}

package myblog.rtti;

public class AbstractToy implements IToy {
        @Override
        public String playToy(String player) throws Exception {
                System.out.println(player + " plays abstract toy");
                return "";
        }
}

package myblog.rtti;

public class Toy extends AbstractToy {

        private String name;

        public String color;

        protected int size;

        public static final int price = 10;

        static {
                System.out.println("Loading");
        }

        public Toy() {// 构造方法一定要声明为public类型，不然用getConstructors无法得到
                System.out.println("Initialing");
                setName("myToy");
                color = "red";
                size = 5;
        }

        public Toy(String name, String color, int size) {
                this.setName(name);
                this.color = color;
                this.size = size;
        }

        public String getName() {
                return name;
        }

        public void setName(String name) {
                this.name = name;
        }

        @Override
        public String playToy(String player) throws Exception {
                String msg = buildMsg(player);
                System.out.println(msg);
                return msg;
        }

        private String buildMsg(String player) {
                String msg = player + " plays " + name;
                return msg;
        }
}

传统的RTTI

严格的说，反射也是一种形式的RTTI，不过，一般的文档资料中把RTTI和反射分开，因为一般的，大家认为RTTI指的是传统的RTTI，通过继承和多态来实现，在运行时通过调用超类的方法来实现具体的功能（超类会自动实例化为子类，或使用instance of）。

传统的RTTI有3种实现方式：

• 向上转型或向下转型（upcasting and downcasting），在java中，向下转型（父类转成子类）需要强制类型转换
• Class对象（用了Class对象，不代表就是反射，如果只是用Class对象cast成指定的类，那就还是传统的RTTI）
• instanceof或isInstance()

传统的RTTI与反射最主要的区别，在于RTTI在编译期需要.class文件，而反射不需要。传统的RTTI使用转型或Instance形式实现，但都需要指定要转型的类型，比如：

public void rtti(Object obj){
    Toy toy = Toy(obj);
    // Toy toy = Class.forName("myblog.rtti.Toy")
    // obj instanceof Toy
}

注意其中的obj虽然是被转型了，但在编译期，就需要知道要转成的类型Toy，也就是需要Toy的.class文件。

相对的，反射完全在运行时在通过Class类来确定类型，不需要提前加载Toy的.class文件。

反射

那到底什么是反射（Reflection）呢？反射有时候也被称为内省（Introspection），事实上，反射，就是一种内省的方式，Java不允许在运行时改变程序结构或类型变量的结构，但它允许在运行时去探知、加载、调用在编译期完全未知的class，可以在运行时加载该class，生成实例对象（instance object），调用method，或对field赋值。这种类似于“看透”了class的特性被称为反射（Reflection），我们可以将反射直接理解为：可以看到自己在水中的倒影，这种操作与直接操作源代码效果相同，但灵活性高得多。

关于Java的反射API，没必要去记忆，可以在任何JDK API中查询即可：

Class类：http://www.ostools.net/uploads/apidocs/jdk-zh/java/lang/Class.html

reflect包：http://www.ostools.net/uploads/apidocs/jdk-zh/java/lang/reflect/package-summary.html

反射的实现方式

package myblog.rtti;

import java.lang.reflect.Array;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Modifier;

/**
 * @project MyBlog
 * @create 2013年6月28日 下午3:00:33
 * @version 1.0.0
 * @author 张广
 */
public class ToyReflection {
        public static void printInfo(String info, Object obj) {
                if (obj.getClass().isArray()) {
                        System.out.println(info + ": ");
                        int length = Array.getLength(obj);
                        System.out.println("Array Size: " + length);
                        for (int i = 0; i < length; i++) {
                                System.out.print("Array[" + i + "]: " + Array.get(obj, i) + ", ");
                        }
                        if (length != 0)
                                System.out.println();
                }
                System.out.println(info + ": " + obj.toString());
        }

        public static void main(String[] args) {

                try {
                        // 获得类对象
                        Class<?> c = Class.forName("myblog.rtti.Toy");
                        printInfo("获得类对象", c);

                        // 获得超类
                        Class<?> superClass = c.getSuperclass();
                        printInfo("获得超类", superClass);

                        // 获得所有父接口
                        Class<?>[] interfaces = c.getInterfaces();
                        printInfo("获得所有父接口", interfaces);

                        // 实例化
                        Toy toy = (Toy) c.newInstance();
                        printInfo("实例化", toy);

                        // 获得访问属性为public的构造方法
                        Constructor<?>[] constructors = c.getConstructors();
                        printInfo("获得构造方法", constructors);

                        // 获得指定参数的构造方法
                        Constructor<?> constructor = c.getDeclaredConstructor(String.class, String.class, int.class);
                        printInfo("获得指定构造方法", constructor);

                        // 获得方法，getMethod只能获得public方法，包括父类和接口继承的方法
                        Method method = c.getMethod("playToy", String.class);
                        printInfo("获得公有方法", method);

                        // 调用方法
                        method.invoke(toy, "张三");

                        // 获得修饰符，包括private/public/protect,static
                        String modifier = Modifier.toString(method.getModifiers());
                        printInfo("获得修饰符", modifier);

                        // 获得参数类型
                        Class<?>[] paramTypes = method.getParameterTypes();
                        printInfo("获得参数类型", paramTypes);

                        // 获得返回值类型
                        Class<?> returnType = method.getReturnType();
                        printInfo("获得返回值类型", returnType);

                        // 获得异常类型
                        Class<?>[] excepTypes = method.getExceptionTypes();
                        printInfo("获得异常类型", excepTypes);

                        // 调用私有方法，getDeclaredMethod获得类自身的方法，包括public,protect,private方法
                        Method method2 = c.getDeclaredMethod("buildMsg", String.class);
                        method2.setAccessible(true);
                        String result = (String) method2.invoke(toy, "李四");
                        printInfo("获得私有方法", result);

                        // 获得全部属性
                        Field[] fields = c.getFields();
                        printInfo("获得全部属性", fields);

                        // 获得类自身定义的指定属性
                        Field field = c.getDeclaredField("name");
                        printInfo("获得自身属性", field);

                        // 获得类及其父类，父接口定义的public属性
                        Field field2 = c.getField("color");
                        printInfo("获得公有属性", field2);

                        // 获得权限修饰符，包括private/public/protect,static,final
                        String fieldModifier = Modifier.toString(field.getModifiers());
                        printInfo("获得权限修饰符", fieldModifier);

                        // 操作数组
                        int[] exampleArray = { 1, 2, 3, 4, 5 };
                        // 获得数组类型
                        Class<?> componentType = exampleArray.getClass().getComponentType();
                        printInfo("数组类型", componentType.getName());
                        // 获得长度
                        printInfo("数组长度", Array.getLength(exampleArray));
                        // 获得指定元素
                        printInfo("获得数组元素", Array.get(exampleArray, 2));
                        // 修改指定元素
                        Array.set(exampleArray, 2, 6);
                        printInfo("修改数组元素", exampleArray);

                        // 获得当前的类加载器
                        printInfo("获得当前类加载器", toy.getClass().getClassLoader().getClass().getName());
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (InstantiationException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (IllegalAccessException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (SecurityException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (NoSuchMethodException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (IllegalArgumentException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (InvocationTargetException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (NoSuchFieldException e) {
                        e.printStackTrace();
                }

        }
}

 通过上面的代码，可以清晰的理解如何“在水中看到自己”，不过需要注意的有几点：

1，在java的反射机制中，getDeclaredMethod得到的是全部方法，getMethod得到的是公有方法；

2，反射机制的setAccessible可能会破坏封装性，可以任意访问私有方法和私有变量；

3，setAccessible并不是将private改为public，事实上，public方法的accessible属性也是false的，setAccessible只是取消了安全访问控制检查，所以通过设置setAccessible，可以跳过访问控制检查，执行的效率也比较高。参考：http://blog.csdn.net/devilkin64/article/details/7766792

反射的性能

反射机制给予Java开发很大的灵活性，但反射机制本身也有缺点，代表性的缺陷就是反射的性能，一般来说，通过反射调用方法的效率比直接调用的效率要至少慢一倍以上。

关于性能的问题，可以参考这篇博客http://blog.csdn.net/l_serein/article/details/6219897

反射与设计模式

反射的一个很重要的作用，就是在设计模式中的应用，包括在工厂模式和代理模式中的应用。关于这一方面，我会在后续的文章中介绍，有兴趣的朋友也先可以参考这篇文章http://www.cnblogs.com/rollenholt/archive/2011/09/02/2163758.html中关于动态代理模式实现方法的文章。

参考资料

JAVA编程思想，第14章

Java-RTTI与反射机制--详细 ：http://blog.csdn.net/dahaizisheng/article/details/1762327

Java反射详解：http://www.cnblogs.com/rollenholt/archive/2011/09/02/2163758.html

RTTI和反射机制：http://blog.sina.com.cn/s/blog_5ea2d6840100v9bu.html

Java中的RTTI和反射机制：http://blog.csdn.net/a81895898/article/details/8457623

Java反射性能测试：http://blog.csdn.net/l_serein/article/details/6219897