本文大量摘抄自 https://www.liaoxuefeng.com/ 内的java教程。
并增加自己部分理解。

反射

class类

除了int等基本类之外,Java的其他类型全部都是class(包括interface)。class(包括interface)的本质是数据类型(Type)。类也是数据类型,当我们初始化一个对象的时候其实也相似于,int一个变量。

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。感觉就是一个类,类名就叫class,然后创建一个载入类的实例。它长这样:

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,(这里的关联起来不是很清楚):

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,其实在上面的例子中我们也发现了class类的类型是private然后final表示不可继承。

所以,JVM持有的每个Class实例都指向一个数据类型(classinterface):

┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> String
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.String"  │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> Random
├───────────────────────────┤
│name = "java.util.Random"  │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> Runnable
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.Runnable"│
└───────────────────────────┘

class的实例包含了载入类的全部信息。

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)。

那么如何获取一个classclass实例呢?

方法一,直接通过一个class的静态变量class获取:

Class cls = String.class;

是因为String类中的静态变量class指向的是这个类的class实例吗。

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();

🤔,莫非getclass函数也是起到一个返回其class实例的作用?

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");

这个貌似就正常许多了,看样子是利用class的静态函数来创建一个类的class变量,因为class类的实例是唯一的,所以这个函数的作用应该是返回指定”类“的实例吧。

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类型的子类的实例

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

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。我们可以看到这里的instanceof在第二个比较中是兼容了父类的。

因为这里的反射的目的是获取某个对象的类的信息,所以我们拿到一个object的时候,我们就可以通过反射获取其class的信息。

void printObjectInfo(Object obj) {
    Class cls = obj.getClass();
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        printClassInfo("".getClass());
        printClassInfo(Runnable.class);
        printClassInfo(java.time.Month.class);
        printClassInfo(String[].class);
        printClassInfo(int.class);
    }

    static void printClassInfo(Class cls) {
        System.out.println("Class name: " + cls.getName());
        System.out.println("Simple name: " + cls.getSimpleName());
        if (cls.getPackage() != null) {
            System.out.println("Package name: " + cls.getPackage().getName());
        }
        System.out.println("is interface: " + cls.isInterface());
        System.out.println("is enum: " + cls.isEnum());
        System.out.println("is array: " + cls.isArray());
        System.out.println("is primitive: " + cls.isPrimitive());
    }
}

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。多出来了个[L

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。为什么cls.****()之前还要加String呢?

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。

这里加载的好像是类的实例,因为实例中有类的全部信息,这样加载是为啥呢?,这里加载的应该是类。加载到内存中才会进行class的实例化。

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)
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;
}


//public int Student.score
//public java.lang.String Person.name
//private int Student.grade

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;
}

我们用反射获取该字段的信息,代码如下:

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

首先的第一步可能是根据对象来获取对象的类并且获取类内的字段的field,然后在获取字段的值:

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;
    }
}

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。

我们总是通过p.name来访问Personname字段,编译器会根据publicprotectedprivate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javajavax开头的package的类调用setAccessible(true),这样可以保证JVM核心库的安全。

通过field来设置字段的值,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:

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Person p = new Person("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;
    }
}

调用方法

因为之前已经说了,根据类的class实例,我们可以获取所以可用变量的field。那么能不能访问其方法呢?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)
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class stdClass = Student.class;
        // 获取public方法getScore,参数为String:
        //这里的参数如果为String类型的话 似乎只要是其class的实例就可以了 用作占位
        System.out.println(stdClass.getMethod("getScore", String.class));
        // 获取继承的public方法getName,无参数:
        System.out.println(stdClass.getMethod("getName"));
        // 获取private方法getGrade,参数为int:
        System.out.println(stdClass.getDeclaredMethod("getGrade", int.class));
    }
}

class Student extends Person {
    public int getScore(String type) {
        return 99;
    }
    private int getGrade(int year) {
        return 1;
    }
}

class Person {
    public String getName() {
        return "Person";
    }
}

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。

这里的method对象就是getMethod()那几个函数返回的内容。

当我们获取到一个方法的method对象的时候我们也是有方法调用它的:

String s = "Hello world";
String r = s.substring(6); // "world"

如果用反射来调用方法:

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // String对象:
        String s = "Hello world";
        // 获取String substring(int)方法,参数为int:
        Method m = String.class.getMethod("substring", int.class);
        // 在s对象上调用该方法并获取结果:
        String r = (String) m.invoke(s, 6);
        // 打印调用结果:
        System.out.println(r);
    }
}

方法很奇特。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。

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:

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 获取Integer.parseInt(String)方法,参数为String:
        Method m = Integer.class.getMethod("parseInt", String.class);
        // 调用该静态方法并获取结果:
        Integer n = (Integer) m.invoke(null, "12345");
        // 打印调用结果:
        System.out.println(n);
    }
}

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:

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;
    }
}

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)。

调用构造方法

我们通常使用new创建新的实例:

Person p = new Person();

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:

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 获取构造方法Integer(int):
        Constructor cons1 = Integer.class.getConstructor(int.class);
        // 调用构造方法:
        Integer n1 = (Integer) cons1.newInstance(123);
        System.out.println(n1);

        // 获取构造方法Integer(String)
        Constructor cons2 = Integer.class.getConstructor(String.class);
        Integer n2 = (Integer) cons2.newInstance("456");
        System.out.println(n2);
    }
}

这里的constructor对象以及相关的方法就像是一个执行构造函数的跳板,通过这个跳板我们可以有更多的可以执行的选择。

通过Class实例获取Constructor的方法如下:

  • 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。这里访问的构造函数只是当前类的构造函数。

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

当我们获取到某个Class对象时,实际上就获取到了一个类的类型:

Class cls = String.class; // 获取到String的Class

还可以用实例的getClass()方法获取:

String s = "";
Class cls = s.getClass(); // s是String,因此获取到String的Class

最后一种获取Class的方法是通过Class.forName(""),传入Class的完整类名获取:

Class s = Class.forName("java.lang.String");

这三种方式获取的Class实例都是同一个实例,因为JVM对每个加载的Class只创建一个Class实例来表示它的类型。

其实在前面已经提到了,但是最后一种方法貌似经常在spel模板注入的时候遇到,因此特意提醒一下。

当我们有了类的实例之后我们可以获取其父类的信息:

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());
    }
}


/*
class java.lang.Number
class java.lang.Object
null
*/

运行上述代码,可以看到,Integer的父类类型是NumberNumber的父类是ObjectObject的父类是null。除Object外,其他任何非interfaceClass都必定存在一个父类类型,这个父类类型应该就是object

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:

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);
        }
    }
}
/*
interface java.lang.Comparable
interface java.lang.constant.Constable
interface java.lang.constant.ConstantDesc
*/

要注意的是,getInterfaces获取的是当前类的接口类型而不是其父类的接口类型。Integer的父类是NumberNumber实现的接口是java.io.Serializable。获取接口的父接口要用getInterfaces()

System.out.println(java.io.DataInputStream.class.getSuperclass()); // java.io.FilterInputStream,因为DataInputStream继承自FilterInputStream
System.out.println(java.io.Closeable.class.getSuperclass()); // null,对接口调用getSuperclass()总是返回null,获取接口的父接口要用getInterfaces()

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:

Object n = Integer.valueOf(123);
boolean isDouble = n instanceof Double; // false
boolean isInteger = n instanceof Integer; // true
boolean isNumber = n instanceof Number; // true
boolean isSerializable = n instanceof java.io.Serializable; // true

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

这里的转型之前已经提过了,向上转型,因为子类继承自父类所以自然有父类所有的功能,因此可以将子类的实例声明为父类的类型:

Student s = new Student();
Person p = new Person();
Person p = new Student(); // ok

这里的函数的第一个参数应该是要判断的子类,第二个括号的参数应该是要判断的向上转型的父类。

动态代理

我们来比较Java的classinterface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:

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);
}
/*
public abstract void Hello.morning(java.lang.String)
Good morning, Bob
*/

在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。

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", String.class),
           new Object[] { name });
    }
}
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