Java的反射机制

反射

静态/动态语言

• 动态语言

  • 是一类在运行时可以改变其结构的语言：如新的函数、对象、甚至代码可以被引进，已有的函数可以被删除或者是其他结构上的变化，通俗点说就是在运行时代码可以根据某些条件改变自身结构。

  • 主要动态语言：Object-C、C#、JavaScript、PHP、Python

function f(){
    var x = "var a=3; var b=5; alert(a+b)";
    eval(x)
}

---

• 静态语言

  • 运行时结构不可变的语言就是静态语言，如Java、C、C++。

  • Java不是动态语言，但Java可以称之为“准动态语言“。Java有一定的动态性，我们可以利用反射机制来获得类似动态语言的特性，Java的动态性让编程更加灵活。

Java Reflection

• Reflection 是 Java 被视为动态语言的关键，反射机制允许程序在 执行期间 借助于 Reflection API 取得任何类的内部信息，并且能直接操作任意对象的内部属性及方法

  • Class c = Class.forName("java.lang.String")

• 加载完类之后，在堆内存的方法区中就产生了一个Class类型的对象（一个类只有一个Class对象），这个对象包含了完成的类的结构信息（构造器、方法、字段），我们可以通过这个对象看到类的结构。

• 正常方式：引入需要的“包类”名称 → 通过 new 实例化 → 取得实例化对象

• 反射方式：实例化对象 → getClass()方法 → 得到完成的”包装“名称

Java反射机制提供的功能

• 在运行时判断任意一个对象所属的类

• 在运行时构造任意一个类的对象

• 在运行时判断任意一个类所具有的成员变量和方法

• 在运行时获取泛型信息

• 在运行时调用任意一个对象的成员变量和方法

• 在运行时处理注解

• 生成动态代理

反射优点：可以实现动态创建对象和编译，体现出很大的灵活性。

反射缺点：对性能有影响，使用反射基本上是一种解释操作，我们可以告诉 JVM，我们希望做什么并且它满足我们的要求，这类操作总是慢于直接执行相同的操作。

反射的主要API

• java.lang.Class：代表一个类

• java.lang.reflect.Method：代表类的方法

• java.lang.reflect.Filed：代表类的成员变量

• java.lang.reflect.Constructor：代表类的构造器

package com.kuang.reflection;
//什么叫反射
public class Test02{
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException{
        //通过反射获取类的Class对象，class是关键字，Class是对象名。
        Class c1 = Class.forName("com.kuang.reflection.User");
        System.out.println(c1.hashCode());
        
        Class c2 = Class.forName("com.kuang.reflection.User");
        System.out.println(c2.hashCode());
        
        Class c3 = Class.forName("com.kuang.reflection.User");
        System.out.println(c3.hashCode());
        
        Class c4 = Class.forName("com.kuang.reflection.User");
        System.out.println(c4.hashCode());
        
        //一个类在内存中只有一个Class对象
        //一个类被加载后，类的整个结构都会被封装在Class对象中。
    }
}
//实体类(拥有get、set方法的类，类里更多是一些属性。)：用 pojo 或者 entity 来表示
class User{
    private String name;
    private int id;
    private int age;
    
    public User(){
        
    }
    
    public User(String name, int id, int age){
        this.name = name;
        this.id = id;
        this.age = age;
    }
    
    public String getName(){
        return name;
    }
    public void setName(String name){
        this.name = name;
    }
    public int getId(){
        return id;
    }
    public int getAge(){
        return age;
    }
    public void setAge(int age){
        this.age = age;
    }
    //定义一个toString方便后续调试
    @Override
    public String toString(){
        return "User{" + "name='" + name + '\'' +
            ", id=" + id +
            ", age=" + age +
            "}";
    }
}

Class类

• 在 Object 类中定义了以下的方法，此方法将被所有子类继承。

  • public final Class getClass()

• 以上方法返回值的类型是一个Class类，此类是java反射的源头，实际上所谓反射从程序的运行结果来看也很好理解，即：可以通过对象反射求出类的名称。

• 对象照镜子（getClass）后可以得到的信息：某个类的属性、方法和构造器、某个类到底实现了哪些接口。对于每个类而言，JRE 都为其保留了一个不变的 Class 类型的对象（无论创建多少个对象都只会存在一个Class）。一个 Class 对象包含了特定某个结构（class/interface/enum/annotation/private type/void/[]）的有关信息。

  • Class 本身也是一个类

  • Class 对象只能由系统创建

  • 一个加载的类在 JVM 中只会有一个 Class 实例

  • 一个 Class 对象对应的是一个加载到 JVM 中的一个 .class 文件

  • 每个类的实例都会记得自己是由哪个 Class 实例所生成

  • 通过 Class 可以完整地得到一个类中的所有被加载的结构

  • Class 类是 Reflection 的根源，针对任何你想动态加载、运行的类，唯有先获得相应的 Class 对象。

Class类的常用方法

方法名	功能说明
static ClassforName(String name)	功能指定类名name的Class对象
Object newInstance()	调用缺省构造函数，返回Class对象的一个实例，即通过反射创建对象。
getName()	返回此Class对象所表示的实体（类、接口、数组类或void）的名称。
Class getSuperClass()	返回当前Class对象的父类的Class对象
Class[] getinterfaces()	获取当前Class对象的接口
ClassLoader getClassLoader()	返回该类的类加载器
Constructor[] getConstructors()	返回一个包含某些Constructor对象的数组
Method getMethod(String name, Class.. T)	返回一个Method对象，此对象的形参类型为 param Type
Field[] getDeclaredFields()	返回Field对象的一个数组

获取Class类的实例

1. 若已知具体的类，通过类的class属性获取，该方法最为安全可靠，程序性能最好。

   1. Class cla = Person.class;

2. 已知某个类的实例，调用该实例的 getClass() 方法获取Class对象

   1. Class cla = person.getClass();

3. 已知一个类的全类名，且该类在类路径下，可通过Class类的静态方法 forName() 获取，可能抛出 ClassNotFoundException。

   1. Class cla = Class.forName("demo.student");

4. 内置基本数据类型可以直接用类名 .Type

5. 还可以利用 ClassLoader 后续会加以讲解

package com.kuang.reflection;
//测试Class类的创建方式有哪些
public class Test03{
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException{
        Person person = new Student();
        System.out.println("这个人是A" + person.name);
        
        //方式1：通过对象获得Class类实例
        Class c1 = person.getClass();
        System.out.println(c1.hashCode());
        
        //方式2：用forName获得，需要包名并且会抛出异常。
        Class c2 = Class.forName("com.kuang.reflection.Student");
        System.out.println(c2.hashCode());
        
        //方式3：通过类名.class获得
        Class c3 = Student.class;
        System.out.println(c3.hashCode());
        
        //方式4：基本内置类型的包装类都有一个Type属性
        Class c4 = Integer.TYPE;
        System.out.println(c4.hashCode());
        
        //获得父类类型
        Class c5 = c1.getSuperclass();
        System.out.println(c5);
    }
}
​
class Person{
    public String name;
    
    public Person(){
        
    }
    
    public Person(String name){
        this.name = name;
    }
    @Override
    public String toString(){
        return "Person{" + 
            "name='" + name + '\'' + 
            '}';
    }
}
​
class Student extends Person{
    public Student(){
        this.name = "学生";
    }
}
​
class Student extends Teacher{
    public Teacher(){
        this.name = "老师";
    }
}

哪些类型可以有Class对象

• class：外部类，成员（成员内部类，静态内部类），局部内部类，匿名内部类。

• interface：接口

• []：数组

• enum：枚举

• annotation：注解@interface

• primitive type：基本数据类型

• void

---

package com.kuang.reflection;
//所有类型的class对象
public class Test04{
    public static void main(String[] args){
        Class c1 = Object.class; //类
        Class c2 = Comparable.class; //接口
        Class c3 = String[].class; //一维数组
        Class c4 = int[] .class; //二维数组
        Class c5 = Override.class; //注解
        Class c6 = ElementType.class; //枚举类型
        Class c7 = Integer.class; //基本数据类型
        Class c8 = void.class; //void
        Class c9 = Class.class; //Class
        
        System.out.println(c1);
        System.out.println(c2);
        System.out.println(c3);
        System.out.println(c4);
        System.out.println(c5);
        System.out.println(c6);
        System.out.println(c7);
        System.out.println(c8);
        System.out.println(c9);
        
        //只要元素类型与维度一样，就是同一个class。
        int[] a = new int[10];
        int[] b = new int[100];
        System.out.println(a.getClass().hashCode());
        System.out.println(b.getClass().hashCode());
    }
}

类加载内存分析

Java内存分析

• 堆

  • 存放new的对象和数组

  • 可以被所有的线程共享，不会存放别的对象引用。

• 栈

  • 存放基本变量类型（会包含这个基本类型的具体数值）

  • 引用对象的变量（会存放这个引用在堆里面的具体地址）

• 方法区

  • 可以被所有的线程共享

  • 包含了所有的 class 和 static 变量

类的加载与ClassLoader的理解

• 当程序主动使用某个类时，如果该类还未被加载到内存中，系统会通过如下三个步骤来对该类进行初始化。

  • 类的加载（Load）

    • 将类的class文件读入内存，并为之创建一个java.lang.Class对象，此过程由类加载器完成。

    • 将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些静态数据转换成方法区的运行时数据结构，然后生成一个代表这个类的java.lang.Class对象。

  • 类的链接（Link）

    • 将类的二进制数据合并到 JRE 中

    • 验证：确保加载的类信息符合 JVM 规范，没有安全方面的问题。

    • 准备：正式为类变量（static）分配内存并设置类变量默认初始值的阶段，这些内存都将在方法区中进行分配。

    • 解析：虚拟机常量池内的符号引用（常量名）替换为直接引用（地址）的过程。

  • 类的初始化（Initialize）

    • JVM 负责对类进行初始化

    • 执行构造器 <clinit>() 方法的过程，类构造器<clinit>() 方法是由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并产生的。（类构造器是构造类信息的，不是构造该类对象的构造器）

    • 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行初始化，则需要先触发其父类的初始化。

    • 虚拟机会保证一个类的<clinit>() 方法在多线程环境中被正确加锁和同步。

---

package com.kuang.reflection;
​
public class Test05{
    A a = new A();
    System.out.println(A)
}
​
class A{
    static{
        System.out.println("A类静态代码块初始化");
        m = 300;
    }
    static int m = 100;
    
    public A(){
        System.out.println("A类的无参构造初始化");
    }
}
​
/**
  * 1.加载到内存，会产生一个类对应的Class对象
  * 2.链接，链接结束后 m = 0
  * 3.初始化
  * <clinit>(){
  *     System.out.println("A类静态代码块初始化");
  *     m = 300;
  *     m = 100;
  * }
  */

类初始化发生时间

• 类的主动引用（一定会发生类的初始化）

  • 当虚拟机启动，先初始化main方法所在的类。

  • new一个类的对象

  • 调用类的静态成员（除了final常量）和静态方法

  • 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用

  • 当初始化一个类，如果其父类没有被初始化，则先会初始化它的父类。

• 类的被动引用（不会发生类的初始化）

  • 当访问一个静态域时，只有真正声明这个域的类才会被初始化。如：当通过子类引用父类的静态变量，不会导致子类初始化。

  • 通过数组定义类引用，不会触发此类的初始化。

  • 引用常量不会触发此类的初始化（常量在链接阶段就存入调用类的常量池中了）

---

package com.kuang.reflection;
//测试类什么时候会初始化
public class Test06{
    static{
        System.out.println("main类被加载");
    }
    
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException{
        //1.主动引用
        Son son = new Son();
        
        //2.反射也会产生主动引用
        Class.forName("com.kuang.reflection.Son");
        
        //不会产生类的引用的方法
        System.out.println(Son.b); //这里是类名调属性，不是对象名调属性。
        
        Son[] array = new Son[5];
        
        System.out.println(Son.M); 
    }
}
​
class Father{
    static int b = 2;
    
    static{
        System.out.println("父类被加载");
    }
}
​
class Son extends Father{
    static{
        System.out.println("子类被加载");
        m = 300;
    }
    
    static int m = 100;
    static final int M = 1;
}

类加载器的作用

• 类加载器的作用：将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些静态数据转换成方法区的运行时数据结构，然后在堆中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，作为方法区中类数据的访问入口。

• 类缓存：标准的 JavaSE 类加载器可以按照要求查找类，但一旦某个类被加载到类加载器中，它将维持加载（缓存）一段时间，不过 JVM 垃圾回收机制可以回收这些Class对象。

• JVM 规范定义了如下类型的类加载器

  • 引导类加载器：用C++编写，是 JVM 自带的类加载器，负责 Java 平台核心堆，用来装载核心类库，该加载器无法直接获取。

  • 扩展类加载器：负责 jre/lib/ext 目录下的 jar 包或 -D java.ext.dirs 指定目录下的 jar 包装入工作库

  • 系统类加载器：负责 java -classpath 或 -D java.class.path 所指的目录下的类与 jar 包装入工作，是最常用的加载器。

---

package com.kuang.reflection;
​
public class Test07{
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException{
        //获取系统类的加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);
        
        //获取系统类加载器的父类加载器 → 扩展类加载器
        ClassLoader parent = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(parent);
        
        //获取扩展类加载器的父类加载器 → 根加载器（c/c++）
        ClassLoader parent1 = parent.getParent();
        System.out.println(parent1);
        
        //测试当前类是哪个加载器加载的
        ClassLoader classLoader = Class.forName("com.kuang.reflection.Test07").getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);
        
        //测试 JDK 内置的类是谁加载的
        ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.Object").getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);
        
        //如何获得系统类加载器可以加载的路径
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
    }
}

• 除了启动类加载器不是ClassLoader的子类其他加载类都是ClassLoader类的子类

• 双亲委派机制：

  • 创建对象后自底向上检查类是否已经加载

  • 然后尝试自顶向下尝试加载类，没找到再使用自己定义的包。

创建运行时类的对象

• 通过反射获取运行时类的完整结构

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package com.kuang.reflection;
//获得类的信息
public class Test08{
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundExcepiton, NoSuchFieldException, NoSuchMethodException{
        Class c1 = Class.forName("com.kuang.reflection.User");
        //获得类的名字
        System.out.println(c1.getName()); //获得包名+类名
        System.out.println(c1.getSimpleName()); //仅获得类名
        //通过对象获得名字
        User user = new User();
        c1 = user.getClass();
        System.out.println(c1.getName());
        System.out.println(c1.getSimpleName());
        
        //获得类的属性
        System.out.println("***************");
        //Field[] fields = c1.getFields(); //只能找到public属性
        Field[] fields = c1.getDeclaredFields(); //可以找到所有属性
        for(Field field : fields){
            System.out.println(field);
        }
        
        //获得指定属性的值
        Field name = c1.getDeclaredField("name");
        System.out.println(name);
        
        //获得类的方法
        System.out.println("****************");
        Method[] methods = c1.getMethods(); //获得自己和父类的全部public方法
        for(Method method : methods){
            System.out.println("正常的:" + method);
        }
        methods = c1.getDeclaredMethod(); //获得本类的所有方法，包括私有的方法。
        for(Method method : methods){
            System.out.println("getDeclaredMethods:" + method);
        }
        
        //获得指定的方法，重载存在干扰，加参数区类型即可区分。
        Method getName = c1.getMethod("getName", null);
        Method setName = c1.getMethod("setName", String.class);
        System.out.println(getName);
        System.out.println(setName);
        
        //获得指定的构造器，获得本类和全部类，同上。
        System.out.println("****************");
        Constructor[] constructors = c1.getConstructor();
        for(Constructor constructor : constructors){
            System.out.println(constructor);
        }
        constructors = c1.getDeclaredConstructor();
        for(Constructor constructor : constructors){
            System.out.println("new" + constructor);
        }
        
        //获得指定构造器
        Constructor declaredConstructor = c1.getDeclaredConstructor(String.class, int.class, int.class);
        System.out.println("指定：" + declaredConstructor);
    }
}