Java学习_反射

  • 什么是反射?
    • 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。
    • 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。
    • JAVA反射机制是在运行状态中,对于任何一个类,都能够知道这个类的所有属性和方法;对于任何一个对象,都能够调用它的任意方法和属性;这种动态获取信息以及动态调用对象方法的功能称为java语言的反射机制。
  • Class类
    • 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Classclass
      public final class Class {
          private Class() {}
      }

      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);

      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。JVM持有的每个Class实例都指向一个数据类型(classinterface)。一个Class实例包含了该class的所有完整信息。

      ┌───────────────────────────┐
      │      Class Instance       │──────> String
      ├───────────────────────────┤
      │name = "java.lang.String"  │
      └───────────────────────────┘
      ┌───────────────────────────┐
      │      Class Instance       │──────> Random
      ├───────────────────────────┤
      │name = "java.util.Random"  │
      └───────────────────────────┘
      ┌───────────────────────────┐
      │      Class Instance       │──────> Runnable
      ├───────────────────────────┤
      │name = "java.lang.Runnable"│
      └───────────────────────────┘
      ┌───────────────────────────┐
      │      Class Instance       │──────> String
      ├───────────────────────────┤
      │name = "java.lang.String"  │
      ├───────────────────────────┤
      │package = "java.lang"      │
      ├───────────────────────────┤
      │super = "java.lang.Object" │
      ├───────────────────────────┤
      │interface = CharSequence...│
      ├───────────────────────────┤
      │field = value[],hash,...   │
      ├───────────────────────────┤
      │method = indexOf()...      │
      └───────────────────────────┘
    • 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)。

    • 获取一个classClass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;
      • 如果有一个实例变量,可以通过该实例变量提供的getClass()方法获取。

        String s = "Hello";
        Class cls = s.getClass();
      • 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");
    • 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。
      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

      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。

    • Class实例获取获取的基本信息。
       1 public class Main {
       2     public static void main(String[] args) {
       3         printClassInfo("".getClass());
       4         printClassInfo(Runnable.class);
       5         printClassInfo(java.time.Month.class);
       6         printClassInfo(String[].class);
       7         printClassInfo(int.class);
       8     }
       9 
      10     static void printClassInfo(Class cls) {
      11         System.out.println("Class name: " + cls.getName());
      12         System.out.println("Simple name: " + cls.getSimpleName());
      13         if (cls.getPackage() != null) {
      14             System.out.println("Package name: " + cls.getPackage().getName());
      15         }
      16         System.out.println("is interface: " + cls.isInterface());
      17         System.out.println("is enum: " + cls.isEnum());
      18         System.out.println("is array: " + cls.isArray());
      19         System.out.println("is primitive: " + cls.isPrimitive());
      20     }
      21 }
    • 获取到了一个Class实例,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。 

  • 访问字段
    • 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)
         1 public class Main {
         2     public static void main(String[] args) throws Exception {
         3         Class stdClass = Student.class;
         4         // 获取public字段"score":
         5         System.out.println(stdClass.getField("score"));
         6         // 获取继承的public字段"name":
         7         System.out.println(stdClass.getField("name"));
         8         // 获取private字段"grade":
         9         System.out.println(stdClass.getDeclaredField("grade"));
        10     }
        11 }
        12 
        13 class Student extends Person {
        14     public int score;
        15     private int grade;
        16 }
        17 
        18 class Person {
        19     public String name;
        20 }
    • 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。
      • String类的value字段为例,它的定义是:

        public final class String {
            private final byte[] value;
        }

        用反射获取该字段的信息:

        Field f = String.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
    • 获取字段值

      • 利用反射拿到字段的一个Field实例只是第一步,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,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。

         1 import java.lang.reflect.Field;
         2 
         3 public class Main {
         4 
         5     public static void main(String[] args) throws Exception {
         6         Object p = new Person("Xiao Ming");
         7         Class c = p.getClass();
         8         Field f = c.getDeclaredField("name");
        f.setAccessible(true);
        9 Object value = f.get(p); 10 System.out.println(value); // "Xiao Ming" 11 } 12 } 13 14 class Person { 15 private String name; 16 17 public Person(String name) { 18 this.name = name; 19 } 20 }
        Object get​(Object obj) 返回指定对象上此  字段表示的字段的值。

         

    • 设置字段值

      • 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。
         1 import java.lang.reflect.Field;
         2 
         3 public class Main {
         4 
         5     public static void main(String[] args) throws Exception {
         6         Person p = new Person("Xiao Ming");
         7         System.out.println(p.getName()); // "Xiao Ming"
         8         Class c = p.getClass();
         9         Field f = c.getDeclaredField("name");
        10         f.setAccessible(true);
        11         f.set(p, "Xiao Hong");
        12         System.out.println(p.getName()); // "Xiao Hong"
        13     }
        14 }
        15 
        16 class Person {
        17     private String name;
        18 
        19     public Person(String name) {
        20         this.name = name;
        21     }
        22 
        23     public String getName() {
        24         return this.name;
        25     }
        26 }
    • 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
    • Class类提供了以下几个方法来获取Method

      • Method getMethod(name, Class...):获取某个publicMethod(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publicMethod(包括父类)
      • Method[] getDeclaredMethods():获取当前类的所有Method(不包括父类)
         1 public class Main {
         2     public static void main(String[] args) throws Exception {
         3         Class stdClass = Student.class;
         4         // 获取public方法getScore,参数为String:
         5         System.out.println(stdClass.getMethod("getScore", String.class));
         6         // 获取继承的public方法getName,无参数:
         7         System.out.println(stdClass.getMethod("getName"));
         8         // 获取private方法getGrade,参数为int:
         9         System.out.println(stdClass.getDeclaredMethod("getGrade", int.class));
        10     }
        11 }
        12 
        13 class Student extends Person {
        14     public int getScore(String type) {
        15         return 99;
        16     }
        17     private int getGrade(int year) {
        18         return 1;
        19     }
        20 }
        21 
        22 class Person {
        23     public String getName() {
        24         return "Person";
        25     }
        26 }
      • 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。
      • 如果用反射来调用substring方法。
         1 import java.lang.reflect.Method;
         2 
         3 public class Main {
         4     public static void main(String[] args) throws Exception {
         5         // String对象:
         6         String s = "Hello world";
         7         // 获取String substring(int)方法,参数为int:
         8         Method m = String.class.getMethod("substring", int.class);
         9         // 在s对象上调用该方法并获取结果:
        10         String r = (String) m.invoke(s, 6);
        11         // 打印调用结果:
        12         System.out.println(r);
        13     }
        14 }
    • 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。以Integer.parseInt(String)为例。

         1 import java.lang.reflect.Method;
         2 
         3 public class Main {
         4     public static void main(String[] args) throws Exception {
         5         // 获取Integer.parseInt(String)方法,参数为String:
         6         Method m = Integer.class.getMethod("parseInt", String.class);
         7         // 调用该静态方法并获取结果:
         8         Integer n = (Integer) m.invoke(null, "12345");
         9         // 打印调用结果:
        10         System.out.println(n);
        11     }
        12 }
    • 调用非public方法

      • 和Field类似,对于非public方法,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,通过Method.setAccessible(true)允许其调用。

        import java.lang.reflect.Method;
        
        public class Main {
            public static void main(String[] args) throws Exception {
                Person p = new Person();
                Method m = p.getClass().getDeclaredMethod("setName", String.class);
                m.setAccessible(true);
                m.invoke(p, "Bob");
                System.out.println(p.name);
            }
        }
        
        class Person {
            String name;
            private void setName(String name) {
                this.name = name;
            }
        }
    • 多态

      • 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(如下)。结果可知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)。 

         1 import java.lang.reflect.Method;
         2 
         3 public class Main {
         4     public static void main(String[] args) throws Exception {
         5         // 获取Person的hello方法:
         6         Method h = Person.class.getMethod("hello");
         7         // 对Student实例调用hello方法:
         8         h.invoke(new Student());
         9     }
        10 }
        11 
        12 class Person {
        13     public void hello() {
        14         System.out.println("Person:hello");
        15     }
        16 }
        17 
        18 class Student extends Person {
        19     public void hello() {
        20         System.out.println("Student:hello");
        21     }
        22 }

        通过设置setAccessible(true)来访问非public方法;

  • 调用构造方法

    • 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。

       1 import java.lang.reflect.Constructor;
       2 
       3 public class Main {
       4     public static void main(String[] args) throws Exception {
       5         // 获取构造方法Integer(int):
       6         Constructor cons1 = Integer.class.getConstructor(int.class);
       7         // 调用构造方法:
       8         Integer n1 = (Integer) cons1.newInstance(123);
       9         System.out.println(n1);
      10 
      11         // 获取构造方法Integer(String)
      12         Constructor cons2 = Integer.class.getConstructor(String.class);
      13         Integer n2 = (Integer) cons2.newInstance("456");
      14         System.out.println(n2);
      15     }
      16 }
    • 通过Class实例获取Constructor的方法

      • getConstructor(Class...):获取某个publicConstructor
      • getDeclaredConstructor(Class...):获取某个Constructor
      • getConstructors():获取所有publicConstructor
      • 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publicConstructor时,必须首先通过setAccessible(true)设置允许访问。setAccessible(true)可能会失败。

  • 获取继承关系

    • 有了Class实例,还可以获取它的父类的Class。
      public class Main {
          public static void main(String[] args) throws Exception {
              Class i = Integer.class;
              Class n = i.getSuperclass();
              System.out.println(n);
              Class o = n.getSuperclass();
              System.out.println(o);
              System.out.println(o.getSuperclass());
          }
      }
    • 由于一个类可能实现一个或多个接口,通过Class可以查询到实现的接口类型。

      import java.lang.reflect.Method;
      
      public class Main {
          public static void main(String[] args) throws Exception {
              Class s = Integer.class;
              Class[] is = s.getInterfaces();
              for (Class i : is) {
                  System.out.println(i);
              }
          }
      }

      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。对所有interfaceClass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。

    • 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()。
      // Integer i = ?
      Integer.class.isAssignableFrom(Integer.class); // true,因为Integer可以赋值给Integer
      // Number n = ?
      Number.class.isAssignableFrom(Integer.class); // true,因为Integer可以赋值给Number
      // Object o = ?
      Object.class.isAssignableFrom(Integer.class); // true,因为Integer可以赋值给Object
      // Integer i = ?
      Integer.class.isAssignableFrom(Number.class); // false,因为Number不能赋值给Integer
  • 动态代理
    • 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();

       

    • 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。所谓动态代理,是和静态相对应的。

      静态代码
      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");
      动态代码
      
      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);
      }

      运行期动态创建一个interface实例的方法如下:

      1. 定义一个InvocationHandler实例,它负责实现接口的方法调用;
      2. 通过Proxy.newProxyInstance()创建interface实例,它需要3个参数:
        1. 使用的ClassLoader,通常就是接口类的ClassLoader
        2. 需要实现的接口数组,至少需要传入一个接口进去;
        3. 用来处理接口方法调用的InvocationHandler实例。
      3. 将返回的Object强制转型为接口。  
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