理解Java反射机制

2021-08-03 00:39:16

理解Java反射机制

对于Java使用者来说，反射机制可以说是不得不了解的重要技能之一

1. 概述

JAVA反射机制，可在运行态直接操作任意类或对象的所有属性和方法，主要有以下几个功能：

  • 在运行时获取任意对象所属的类
  • 在运行时构造类的实例对象
  • 在运行时获取或修改类/成员的属性
  • 在运行时调用某个类/对象的方法
  • 另外还可获取类的其他信息，比如描述修饰符、父类信息等

针对动态语言，大致认同的一个定义是：“程序运行时，允许改变程序结构或变量类型，这种语言称为动态语言”。反射机制在运行时只能调用methods或改变fields内容，却无法修改程序结构或变量类型。从这个观点看，Perl，Python，Ruby是动态语言，C++，Java，C#不是动态语言。

什么是反射？

  1. Java反射机制的核心是在程序运行时动态加载类并获取类的详细信息，从而操作类或对象的属性和方法。本质是JVM得到class对象之后，再通过class对象进行反编译，从而获取对象的各种信息。

  2. Java属于先编译再运行的语言，程序中对象的类型在编译期就确定下来了，而当程序在运行时可能需要动态加载某些类，这些类因为之前用不到，所以没有被加载到JVM。通过反射，可以在运行时动态地创建对象并调用其属性，不需要提前在编译期知道运行的对象是谁

2. 反射原理

下图是类的正常加载过程、反射原理与class对象：

Class对象的由来是将.class文件读入内存，并为之创建一个Class对象。
理解Java反射机制
java类的执行需要经历以下过程，

  • 编译：.java文件编译后生成.class字节码文件

  • 加载：类加载器负责根据一个类的全限定名来读取此类的二进制字节流到JVM内部，并存储在运行时内存区的方法区，然后将其转换为一个与目标类型对应的java.lang.Class对象实例

  • 连接：细分三步

    • 验证：格式（class文件规范） 语义（final类是否有子类） 操作
    • 准备：静态变量赋初值和内存空间，final修饰的内存空间直接赋原值，此处不是用户指定的初值。
    • 解析：符号引用转化为直接引用，分配地址

  • 初始化：有父类先初始化父类，然后初始化自己；将static修饰代码执行一遍，如果是静态变量，则用用户指定值覆盖原有初值；如果是代码块，则执行一遍操作。

Java的反射就是利用上面第二步加载到jvm中的.class文件来进行操作的。.class文件中包含java类的所有信息，当你不知道某个类具体信息时，可以使用反射获取class，然后进行各种操作。

Java反射就是在运行状态中，对于任意一个类，都能够知道这个类的所有属性和方法；对于任意一个对象，都能够调用它的任意方法和属性；并且能改变它的属性。总结说：反射就是把java类中的各种成分映射成一个个的Java对象，并且可以进行操作。

3. 反射的优缺点

  • 优点：在运行时获得类的各种内容，进行反编译，对于Java这种先编译再运行的语言，能够让我们很方便的创建灵活的代码，这些代码可以在运行时装配，无需在组件之间进行源代码的链接，更加容易实现面向对象。

  • 缺点：

    （1）反射会消耗一定的系统资源，因此，如果不需要动态地创建一个对象，那么就不需要用反射；

    （2）反射调用方法时可以忽略权限检查，因此可能会破坏封装性而导致安全问题。

4. 反射的用途

  • 反编译：.class–>.java

  • 通过反射机制访问java对象的属性，方法，构造方法等

  • 当我们在使用IDE,比如Ecplise时，当我们输入一个对象或者类，并想调用他的属性和方法是，一按点号，编译器就会自动列出他的属性或者方法，这里就是用到反射。

  • 反射最重要的用途就是开发各种通用框架。比如很多框架（Spring）都是配置化的（比如通过XML文件配置Bean），为了保证框架的通用性，他们可能需要根据配置文件加载不同的类或者对象，调用不同的方法，这个时候就必须使用到反射了，运行时动态加载需要的加载的对象。

  • 比如，加载数据库驱动的，用到的也是反射。

    Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver"); // 动态加载mysql驱动

5. 反射相关的类

用于操作反射相关的主要有以下5个类：

  • java.lang.Class： 代表类
  • java.lang.reflect.Constructor: 代表类的构造方法
  • java.lang.reflect.Field: 代表类的属性
  • java.lang.reflect.Method: 代表类的方法
  • java.lang.reflect.Modifier：代表类、方法、属性的描述修饰符。

Constructor、Field、Method这三个类都继承AccessibleObject，该对象有一个非常重要的方法setAccessible(boolean flag)，用于保证反射可调用非Public的属性与方法。Modifier是指描述修饰符，包含如下范围： public, protected, private, abstract, static, final, transient, volatile, synchronized, native, strictfp, interface。

5.1 Constructor

通过java.lang.reflect.Constructor来操作类的构造方法

方法 含义
getConstructors() 获得类的所有public构造方法
getDeclaredConstructors() 获得类的所有构造方法
getConstructor(Class[] parameterTypes) 获得类的特定public构造方法
getDeclaredConstructor(Class[] params) 获取类的特定构造方法

5.2 Field

通过java.lang.reflect.Field来获取和修改成员属性，其中getField和getDeclaredField的核心区别就是是否指定类型为public

方法 含义
getFields() 获得类的所有public属性
getDeclaredFields() 获得类的所有属性
getField(String name) 获得类的特定public属性
getDeclaredField(String name) 获取类的特定属性

5.3 Method

通过java.lang.reflect.Method来执行成员方法

方法 含义
getMethods() 获得类的所有public成员方法
getDeclaredMethods() 获得类的所有成员方法
getMethod(String name, Class[] parameterTypes) 获得类的特定public成员方法
getDeclaredMethod(String name, Class[] parameterTypes) 获取类的特定成员方法

5.4 Class类的原理

  Java所有的类都是继承于类Object，其内声明了多个应该被所有Java类覆写的方法：hashCode()、equals()、clone()、toString()、notify()、wait()、getClass(）等，其中getClass返回的便是一个Class类的对象。Class类也同样是继承Object类，拥有相应的方法。

  Java程序在运行时，运行时系统对每一个对象都有一项类型标识，用于记录对象所属的类。虚拟机使用运行时类型来选择相应方法去执行，保存所有对象类型信息的类便是Class类。Class类没有公共构造方法，Class对象是在加载类时由 Java 虚拟机以及通过调用ClassLoader的defineClass 方法自动构造的，因此不能显式地声明一个Class对象。

  虚拟机为每种类型管理一个独一无二的Class对象。也就是说，每个类型都有一个Class对象。运行程序时，Java虚拟机(JVM)首先检查是否所要加载的类对应的Class对象是否已经加载。如果没有加载，JVM就会根据类名查找.class文件，并将其Class对象载入。

  基本的 Java 类型（boolean、byte、char、short、int、long、float 和 double）和关键字 void 也都对应一个 Class 对象。 每个数组属于被映射为 Class 对象的一个类，所有具有相同元素类型和维数的数组都共享该 Class 对象。一般某个类的Class对象被载入内存，它就用来创建这个类的所有对象。

6. 反射实例

对于正常方式来调用方法，往往只需要一行到两行代码，即可完成相应工作。而反射则显得比较繁琐，之所以繁琐仍会才用反射方式，是因为反射能干很多正常实例化对象的方式所无法做到的事。比如操作那些private的类、方法、属性，以及@hide标记过的类、方法、属性。

为了到达即能有反射的功效，同时调用方法简单易用，建议大家自己封装一个反射工具类ReflectUtils。（注：以下实例为了代码精简，忽略Exception以及异常处理逻辑。）

6.1 创建对象

//根据类名来获取类
Class clazz = Class.forName("java.lang.String");
//根据对象来获取类
Class clazz = object.getClass();
//根据类来实例化对象
Object obj = clazz.newInstance();

//获取无参的构造函数
Constructor c = clazz.getConstructor(null);
//获取参数为String,int的构造函数
Constructor c = clazz.getConstructor(String.class, int.class);
//用于调用私有构造方法
c.setAccessible(true);
Object obj = c.newInstance("amlogic", 2021);

6.2 获取/修改属性

  1. 获取对象的属性:

    public static Object getField(Object object, String fieldName) {
    Class clazz = object.getClass();
    Field field = clazz.getDeclaredField(fieldName);
    field.setAccessible(true);
    return field.get(object)；
}

  2. 修改对象的属性:

    public static boolean setField(Object object, String fieldName, Object fieldValue) {
    Class clazz = object.getClass();
    Field field = clazz.getDeclaredField(fieldName);
    field.setAccessible(true);
    return field.set(object, fieldValue);
}

  3. 获取类的静态属性:

    public static Object getField(Class clazz, String fieldName) {
    Field field = clazz.getDeclaredField(fieldName);
    field.setAccessible(true);
    return field.get(null)；
}

  4. 修改类的静态属性:

    public static boolean setField(Class clazz, String fieldName, Object fieldValue) {
    Field field = clazz.getDeclaredField(fieldName);
    field.setAccessible(true);
    return field.set(null, fieldValue);
}

6.3 调用方法

  1. 调用对象方法

    public static Object invokeMethod(Object object, String methodName, Class[] argsType, Object... args) {
    Class clazz = object.getClass();
    Method method = clazz.getDeclaredMethod(methodName, argsType);
    return method.invoke(object, args);
}

  2. 调用类的静态方法

    public static Object invokeMethod(Class clazz, String methodName, Class[] argsType, Object... args) {
    Method method = clazz.getDeclaredMethod(methodName, argsType);
    method.setAccessible(true);  
    return method.invoke(null, args);
}

6.4 调用内部类

  假设com.reflect.Outer类，有一个内部类inner和静态内部类StaticInner。 那么静态内部类的构造函数为Outer$StaticInner()；而普通内部类的构造函数为Outer$Inner(Outer outer)，多了一个final的Outer类型属性，即Outer$Inner.this$0，用于存储外部类的属性值，也就是说非static内部类保持了外部类的引用。

直接实例化内部类方法如下：

// 静态内部类
Outer.StaticInner sInner = new Outer.StaticInner();
// 非静态内部类
Outer.Inner inner = new Outer().new Inner();

内部类的类名使用采用$符号，来连接外部类与内部类，格式为outer$Inner

    String className = "com.reflect.Outer$Inner";
    Class.forName(className);

除了格式了差异，关于内部类的属性和方法操作基本相似，下面以调用该静态类的静态方法为例

public static Object invokeMethod(String methodName, Class[] argsType, Object... args) {
    Class clazz = Class.forName(“com.reflect.Outer$StaticInner");
    Method method = clazz.getDeclaredMethod(methodName, argsType);
    method.setAccessible(true);  
    return method.invoke(null, args);
}

7. 小节

  反射机制为解耦合提供了保障机制，也为在运行时动态修改属性和调用方法提供的可能性。在Android的源码中，我们会发现有很多被”@hide”标记的类，它的作用是使这个类或方法在生成SDK时不可见。那么应用程序便不可以直接调用。而反射机制可调用@hide标记的类或方法，如入无人之地，畅通无阻。不过从Android P开始就不允许调用@hide方法，会在虚拟机层面拦截直接抛出异常。

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