反射

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• 反射
  • Class类
  • 访问字段
  • 调用方法
  • 调用构造方法
  • 获取继承关系
  • 动态代理

反射

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：

但是，如果不能获得Person类，只有一个Object实例，比如这样：

怎么办？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。

Class类

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：

• String
• Object
• Runnable
• Exception
• ...

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：
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：

以String类为例，当JVM加载String类时，它首先读取String.class文件(java类编译后的字节码文件)到内存，然后，为String类创建一个Class实例并关联起来：

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）：

一个Class实例包含了该class的所有完整信息：

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：
  
• 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：
  
• 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：
  

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：

注意一下Class实例比较和instanceof的差别：

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：

要从Class实例获取获取的基本信息，参考下面的代码：


意到数组（例如String[]）也是一种类，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实例，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：

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：

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：

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。
小结:

• JVM为每个加载的class及interface创建了对应的Class实例来保存class及interface的所有信息；
• 获取一个class对应的Class实例后，就可以获取该class的所有信息；
• 通过Class实例获取class信息的方法称为反射（Reflection）；
• JVM总是动态加载class，可以在运行期根据条件来控制加载class。

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：

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。

以String类的value字段为例，它的定义是：

我们用反射获取该字段的信息，代码如下：

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：

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。

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：

小结:

• Java的反射API提供的Field类封装了字段的所有信息：
• 通过Class实例的方法可以获取Field实例：getField()，getFields()，getDeclaredField()，getDeclaredFields()；
• 通过Field实例可以获取字段信息：getName()，getType()，getModifiers()；
• 通过Field实例可以读取或设置某个对象的字段，如果存在访问限制，要首先调用setAccessible(true)来访问非public字段。
• 通过反射读写字段是一种非常规方法，它会破坏对象的封装。

调用方法

我们已经能通过Class实例获取所有Field对象，同样的，可以通过Class实例获取所有Method信息。Class类提供了以下几个方法来获取Method：

• Method getMethod(name, Class...)：获取某个public的Method（包括父类）
• Method getDeclaredMethod(name, Class...)：获取当前类的某个Method（不包括父类）
• Method[] getMethods()：获取所有public的Method（包括父类）
• Method[] getDeclaredMethods()：获取当前类的所有Method（不包括父类）

我们来看一下示例代码：


一个Method对象包含一个方法的所有信息：

• getName()：返回方法名称，例如："getScore"；
• getReturnType()：返回方法返回值类型，也是一个Class实例，例如：String.class；
• getParameterTypes()：返回方法的参数类型，是一个Class数组，例如：{String.class, int.class}；
• getModifiers()：返回方法的修饰符，它是一个int，不同的bit表示不同的含义。

调用方法:
如果用反射来调用substring方法，需要以下代码：

对Method实例调用invoke就相当于调用该方法，invoke的第一个参数是对象实例，即在哪个实例上调用该方法，后面的可变参数要与方法参数一致，否则将报错。
调用静态方法：
如果获取到的Method表示一个静态方法，调用静态方法时，由于无需指定实例对象，所以invoke方法传入的第一个参数永远为null。我们以Integer.parseInt(String)为例：

调用非public方法：
和Field类似，对于非public方法，我们虽然可以通过Class.getDeclaredMethod()获取该方法实例，但直接对其调用将得到一个IllegalAccessException。为了调用非public方法，我们通过Method.setAccessible(true)允许其调用：

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。
多态：
我们来考察这样一种情况：一个Person类定义了hello()方法，并且它的子类Student也覆写了hello()方法，那么，从Person.class获取的Method，作用于Student实例时，调用的方法到底是哪个？

运行上述代码，发现打印出的是Student:hello，因此，使用反射调用方法时，仍然遵循多态原则：即总是调用实际类型的覆写方法（如果存在）。上述的反射代码：

实际上相当于：

小结：
Java的反射API提供的Method对象封装了方法的所有信息：

• 通过Class实例的方法可以获取Method实例：getMethod()，getMethods()，getDeclaredMethod()，getDeclaredMethods()；
• 通过Method实例可以获取方法信息：getName()，getReturnType()，getParameterTypes()，getModifiers()；
• 通过Method实例可以调用某个对象的方法：Object invoke(Object instance, Object... parameters)；
• 通过设置setAccessible(true)来访问非public方法；
• 通过反射调用方法时，仍然遵循多态原则。

调用构造方法

如果通过反射来创建新的实例，可以调用Class提供的newInstance()方法：
Person p = Person.class.newInstance();
调用Class.newInstance()的局限是，它只能调用该类的public无参数构造方法。如果构造方法带有参数，或者不是public，就无法直接通过Class.newInstance()来调用。
为了调用任意的构造方法，Java的反射API提供了Constructor对象，它包含一个构造方法的所有信息，可以创建一个实例。Constructor对象和Method非常类似，不同之处仅在于它是一个构造方法，并且，调用结果总是返回实例：

通过Class实例获取Constructor的方法如下：

• getConstructor(Class...)：获取某个public的Constructor；
• getDeclaredConstructor(Class...)：获取某个Constructor；
• getConstructors()：获取所有public的Constructor；
• getDeclaredConstructors()：获取所有Constructor。

注意Constructor总是当前类定义的构造方法，和父类无关，因此不存在多态的问题。
调用非public的Constructor时，必须首先通过setAccessible(true)设置允许访问。setAccessible(true)可能会失败。
小结:

• Constructor对象封装了构造方法的所有信息；
• 通过Class实例的方法可以获取Constructor实例：getConstructor()，getConstructors()，getDeclaredConstructor()，getDeclaredConstructors()；
• 通过Constructor实例可以创建一个实例对象：newInstance(Object... parameters)； 通过设置setAccessible(true)来访问非public构造方法。

获取继承关系

获取父类的Class:
有了Class实例，我们还可以获取它的父类的Class：

获取interface:
由于一个类可能实现一个或多个接口，通过Class我们就可以查询到实现的接口类型。例如，查询Integer实现的接口：

要特别注意：getInterfaces()只返回当前类直接实现的接口类型，并不包括其父类实现的接口类型.Integer的父类是Number，Number实现的接口是java.io.Serializable。
此外，对所有interface的Class调用getSuperclass()返回的是null，获取接口的父接口要用getInterfaces()：

如果一个类没有实现任何interface，那么getInterfaces()返回空数组。
继承关系:
当我们判断一个实例是否是某个类型时，正常情况下，使用instanceof操作符：

如果是两个Class实例，要判断一个向上转型是否成立，可以调用isAssignableFrom()：

小结:

• 通过Class对象可以获取继承关系：
  • Class getSuperclass()：获取父类类型；
  • Class[] getInterfaces()：获取当前类实现的所有接口。
• 通过Class对象的isAssignableFrom()方法可以判断一个向上转型是否可以实现。

动态代理

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：
  
• 编写实现类：
  
• 创建实例，转型为接口并调用：
  

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：

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。
• 将返回的Object强制转型为接口。

动态代理实际上是JVM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：

其实就是JVM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。