JAVA反射机制-低调大师

JAVA反射机制

2019-05-06 525

反射可以让我们在运行时动态的加载类，访问、调用类的字段、方法、构造器。反射机制是构建框架的基础，如Spring框架核心，各种RPC框架等。

Class：class的抽象

首先我们需要知道在java中，类的信息是由Class对象来描述的，每个类对应一个Class对象，它表示一个类或者接口（一个annotation也算是一个接口）在运行时的类型信息。Class只有一个private的构造器，你并不能手动的去创建它，Class对象只能由JVM在加载一个类或者是在调用一个方法的时候去创建它。获取一个类的Class对象有以下几种方式：

Class.forName(String className)

obj.getClass()

ClassName.class

相较于forName()的方式，.class方式能获得编译期的检查更加安全。以上三种方式都可以获得类的Class对象，但是他们之间也有一些差别，Class.forName(String className)默认会对这个类进行初始化操作，而.class的方式则不会自动初始化该Class对象。

import java.util.Random;

public class InitObj1 {

    public static final int value1 = 1;//编译期常量，不需要初始化

    public static final int value2 = new Random().nextInt();//需要初始化

    static{
        System.out.println("static block initializing.");
    }
}

public class InitObj2 {
    public static final int value1 = 1;

    static{
        System.out.println("static block initializing.");
    }
}

public class ClassInitTest {

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {

        System.out.println("----通过.class获取Class对象-----");
        Class c1 = InitObj1.class;
        System.out.println("created c1");
        System.out.println("value1:" + InitObj1.value1);
        System.out.println("value2:" + InitObj1.value2);

        System.out.println("----通过forName获取Class对象-----");
        Class c2 = Class.forName("me.l4j.thinkingInJava.reflectionAPI.InitObj2");
        System.out.println("created c2");
        System.out.println("value1:" + InitObj2.value1);
    }
}

输出：
----通过.class获取Class对象-----
created c1
value1:1
static block initializing.
value2:-2130950913
----通过forName获取Class对象-----
static block initializing.
created c2
value1:1

从结果可以看到.class获取Class引用不会引发初始化，延迟到了对value2的访问，但是forName()方法会立即引发初始化。

获取类型信息的简单示例

import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Modifier;
import java.util.Arrays;

/**
 * Created by lsj on 2017-9-6.
 */
public class ReflectString {

    public static void main(String[] args) {

        Class<?> strC = String.class;

        //获取类名
        System.out.println(strC.getName());

        //获取实现的接口
        Class<?>[] inter = strC.getInterfaces();
        System.out.println("String implements interfaces：");
        for (Class c : inter)
            System.out.println("    --" + c.getName());

        //getXXX方法只能获取到public，getDeclaredXXX可以获取到所有定义了的元素
        //获取构造器
        Constructor<?>[] cons = strC.getDeclaredConstructors();
        System.out.println("All Constructors:");
        for (Constructor csr : cons) {
            System.out.println("    constructor name:"+csr.getName());
            System.out.println("    constructor modifier:" + Modifier.toString(csr.getModifiers()));
            Arrays.stream(csr.getParameterTypes()).forEach(x-> System.out.println("    param:"+x.getName()));

            System.out.println("    ------------------------------------");
        }

        //获取字段
        Field[] fields = strC.getDeclaredFields();

        System.out.println("All fields:");
        for (Field f : fields) {
            System.out.println("    name:" + f.getName());
            System.out.println("    modifier:"+Modifier.toString(f.getModifiers()));
            System.out.println("    ------------------------------------");
        }


        //获取方法
        Method[] methods = strC.getDeclaredMethods();
        System.out.println("All methods:");
        for (Method m : methods){
            System.out.println("    name:"+m.getName());
            System.out.println("    modifier:"+Modifier.toString(m.getModifiers()));
            System.out.println("    returnType:"+m.getReturnType().getName());
            Arrays.stream(m.getParameterTypes()).forEach(x-> System.out.println("    param:"+x.getName()));
            Arrays.stream(m.getAnnotations()).forEach(x-> System.out.println("    annotation:"+x.annotationType().getName()));
            System.out.println("    ------------------------------------");
        }

        // 创建一个String对象cs，向上转型为CharSequence，其类型信息任然是一个String
        CharSequence cs = new String("str");
        Class csClass = cs.getClass();
        System.out.println(csClass.getName());

    }
}

类型判断

对类型的判断主要有istanceof关键字、Class.isInstance(Object obj)方法和"=="三种方式。

import java.io.Serializable;

public class ClassType {
    public static void main(String[] args) {

        //String和StringBuilder都实现了CharSequence接口和Serializable接口，将str和sb都向上转型为一个CharSequence
        CharSequence str = new String();
        CharSequence sb = new StringBuilder();

        //istanceof和isInstance()表示这个对象是否是这个类或者接口的实例，即这个对象是否是这个类型
        System.out.println("str instanceof CharSequence:" + (str instanceof CharSequence));
        System.out.println("str instanceof String:" + (str instanceof String));
        System.out.println("str instanceof Serializable:" + (str instanceof Serializable));

        System.out.println();

        System.out.println("CharSequence.class.isInstance(str): "+CharSequence.class.isInstance(str));
        System.out.println("String.class.isInstance(str): "+String.class.isInstance(str));

        System.out.println();

        //==只能与对象实际类型相同时才能返回true
        System.out.println("String.class == str.getClass(): " + (String.class == str.getClass()));
        System.out.println("CharSequence.class == str.getClass(): " + (CharSequence.class == str.getClass()));


        //虽然str和sb都向上转型为CharSequence，但是他们两的实际类型并不相同
        System.out.println("str.getClass(): "+str.getClass());
        System.out.println("sb.getClass(): "+sb.getClass());
    }
}

instanceof和isInstance()保持了类型的概念（是否是这个类，或是否是这个类的派生类），而==比较的是实际的class对象。

类型转换

因为知道一只狗一定是一只动物，所以编译器允许自由的向上转型，不需要任何显示的转换。但是一直动物是不是一只狗这是不确定的，在进行“向下转型”的时候需要显式的进行转换(Dog)object,如果这个object并不属于Dog，那么在运行时会触发ClassCastException异常。在进行“向下转型”时我们可以先使用instanceof或者isInstance()进行类型检查，以避免触发异常。在JAVA SE5开始我们可以使用Class引用的cast()进行转型,暂没有发现这种转型语法的特异功能。

Animal a = new Dog();
Class<?> dogCls = Dog.class;
Dog d = dogCls.cast(a);

反射

通过java反射机制，我们可以动态的创建对象，体现出很大的灵活性。相较于静态编译，通过反射执行的操作要慢得多。 java在java.lang.reflect包下提供了反射的工具和接口，reflect包只是java反射机制的一部分，其他还包括前面提到的Class类以及Object类等。

ReflectionAPI简介

在reflect包中Field、Method和Constructor这三个类比较常用。我们可以通过Constrcutor创建新的对象（Class引用的newInstance方法也可以创建对象，但是需要这个类有无参构造器），利用Field中的set()和get()方法来读取和修改字段，以及使用invoke()方法来调用与Method关联的方法。下面的实例展示了这三个类的基本用法：

import java.util.List;

public class Student {
    private String name;
    private int age;
    private List<String> courses;

    public Student(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    public Student(){
        this.name = "John Doe";
        this.age = -1;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public List<String> getCourses() {
        return courses;
    }

    public void setCourses(List<String> courses) {
        this.courses = courses;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                ", courses=" + courses +
                '}';
    }
}

import java.lang.reflect.*;
import java.util.Arrays;

public class ReflectAPI {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException, NoSuchFieldException {

        // 利用泛型的Class来指明这个Class对象为Student的Class对象
        Class<Student> stCls = Student.class;

        // 利用Class的newInstance()方法，调用无参构造器来创建对象
        Student sDefault = stCls.newInstance();
        System.out.println("调用无参构造器创建Student对象： "+sDefault);

        // 获取带String和int类型参数的构造器
        Constructor ctr = stCls.getConstructor(String.class, int.class);
        Student s = (Student)ctr.newInstance("john", 20);
        System.out.println(s);


        // 为s这个对象增加课程
        // Student中courses字段为private，getField("courses")会触发NoSuchFieldException异常
        // Field fld = stCls.getField("courses");
        Field fld = stCls.getDeclaredField("courses");

        // 由于courses字段为private的，不设置Field.setAccessible(true)会触发IllegalAccessException异常
        fld.setAccessible(true);
        fld.set(s, Arrays.asList("计算机网络","操作系统"));
        System.out.println(fld.get(s));

        // 设置为private的字段，一般来说是不希望你去直接访问它的。
        // 一种合法的修改这个值的方法就是调用其public的set方法去修改它
        // 这里使用getMethod()方法去获取修饰为public的方法，如果这个方法为private或者不存在会触发NoSuchFieldException异常
        Method m = stCls.getMethod("setAge", int.class);
        m.invoke(s, 24);
        System.out.println(s);
    }
}

动态代理

首先了解下什么是代理模式：其目的是为其他对象提供一个代理以控制对某个对象的访问。代理类负责为委托类预处理消息，过滤消息并转发消息，以及进行消息被委托类执行后的后续处理。而动态代理可以动态的创建代理并动态的处理对所代理方法的调用。 JDK实现的动态代理只能代理实现了某接口的被代理对象。java动态代理主要用到java.lang.reflect.Proxy类和java.lang.reflect.InvocationHandler接口。动态代理的实现主要包括以下步骤：

实现InvocationHandler接口创建调用处理器

调用Proxy的newInstance()方法创建动态代理实例

以下是一个动态代理的示例程序：

public interface WorkerInterface {
    void doJob(String job);
}

public class Worker implements WorkerInterface{
    @Override
    public void doJob(String job) {
        System.out.println("doing "+job);
    }
}

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;

public class MyProxyHandler implements InvocationHandler {

    private Object proxied;

    public MyProxyHandler(Object proxied) {
        this.proxied = proxied;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("----------------info------------------------");
        System.out.println("Proxy: "+proxy.getClass());
        System.out.println("Method: "+method);
        System.out.println("args: "+args);
        System.out.println("----------------info------------------------");
        return method.invoke(proxied, args);
    }
}

public class SimpleProxy{
    public static void doJob(WorkerInterface wi) {
        System.out.println("Get ready to start work");
        wi.doJob("Whitewashing");
        System.out.println("Finish the work");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Worker w = new Worker();

        WorkerInterface proxy = (WorkerInterface)Proxy.newProxyInstance(WorkerInterface.class.getClassLoader(),
                new Class[]{WorkerInterface.class},
                new MyProxyHandler(w));

        doJob(proxy);
    }
}

我们在调用Proxy.newInstance方法时实际上是经历了一下三步：

创建代理类的类对象Class<?> cl = getProxyClass0(loader, intfs)

反射从生成的类对象cls中获取构造器对象：Constructor<?> cons = cl.getConstructor(constructorParams)

用上一步获取的构造器对象创建动态代理类实例cons.newInstance(new Object[]{h})

通过动态代理我们可以为目标类预处理消息、添加修饰等。

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