Java的反射机制

介绍反射机制

Java 的反射机制允许在程序运行期间，借助反射 API 获取类的内部信息，并能直接操作对象的内部属性及方法。

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Java 反射机制提供的功能：

• 在运行时，使用反射分析类的能力，获取有关类的一切信息（类所在的包、类实现的接口、标注的注解、类的数据域、类的构造器、类的方法等）
• 在运行时，使用反射分析对象，设置实例域的值，查看实例域的值。
• 反射机制允许你调用任意方法（类的构造器方法、类的成员方法 等）

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反射是一种功能强大且复杂的机制。使用反射机制的主要人员是工具构造者，而不是应用程序员。

Class 类

在程序运行期间，Java 运行时系统始终为所有的对象维护一个被称为运行时的类型标识。这个信息跟踪着每个对象所属的类。虚拟机利用运行时类型信息选择相应的方法执行。

然而，可以通过专门的 Java 类访问这些信息。保存这些信息的类被称为 Class。Object 类中的 getClass() 方法将会返回一个 Class 类型的实例。

如同用一个 Employee 对象表示一个特定的雇员属性一样，一个 Class 对象将表示一个特定类的属性。

虚拟机为每个类型管理一个 Class 对象。因此，可以利用 == 运算符实现两个 Class 对象比较的操作。

// 获得 Class 对象的多种方式：
public static void main(String[] args) {
    // 方式 1
    // 如果 T 是任意的 Java 类型 (或 void 关键字), T.class 将代表匹配的 Class 对象。
    Class<Person> clazz1 = Person.class;

    // 方式 2
    Person person = new Person();
    Class clazz2 = person.getClass();

    // 方式 3
    try {
        Class clazz3 = Class.forName("类的路径");
    } catch (ClassNotFoundException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }

    // 方式4
    // 获取到 ClassLoader（这里获取到的是：AppClassLoader）
    ClassLoader classLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
    try {
        Class clazz4 = classLoader.loadClass("类的路径");
    } catch (ClassNotFoundException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

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还有一个很有用的方法：Class 类的 newlnstance()，可以用这个方法来动态地创建一个类的实例。newlnstance() 方法调用默认的构造器（没有参数的构造器）初始化新创建的对象。如果这个类没有默认的构造器，就会抛出一个 InstantiationException 异常。

将 Class 类的 forName() 方法与 Class 类的 newlnstance() 方法配合起来使用，可以根据存储在字符串中的类名创建一个对象。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    String className = "java.util.Random";
    Object object = Class.forName(className).newInstance();
}

如果需要以这种方式向希望按名称创建的类的构造器提供参数，就不要使用上面那条语句，而必须使用 Constructor 类中的 newlnstance() 方法。

分析类的能力

在运行时，使用反射分析类的能力。

下面简要地介绍一下反射机制最重要的内容：检查类的结构。在 java.lang.reflect 包中有三个类 Field、Method 和 Constructor 分别用于描述类的数据域、类的方法和类的构造器。

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这三个类都有一个叫做 getName() 的方法，用来返回项目的名称。

Field 类有一个 getType() 方法，用来返回描述数据域所属类型的 Class 对象。

Method 类和 Constructor 类有能够报告参数类型的方法，Method 类还有一个可以报告返回类型的方法。

这三个类还有一个叫做 getModifiers() 的方法，它将返回一个整型数值，用不同的位开关描述 public 和 static 这样的修饰符使用状况。另外， 还可以利用 java.lang.reflect 包中的 Modifier 类的静态方法分析 getModifiers() 返回的整型数值。例如，可以使用 Modifier 类中的 isPublic()、isPrivate() 或 isFinal() 判断方法或构造器是否是 public、private 或 final 的。我们需要做的全部工作就是调用 Modifier 类的相应方法，并对返回的整型数值进行分析，另外，还可以利用 Modifier.toString() 方法将修饰符打印出来。

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Class 类的 getFields()、getMethods() 和 getConstructors() 方法将分别返回类中声明的 public 域、public 方法和 public 构造器数组，其中包括父类的公有成员。

Class 类的 getDeclareFields()、getDeclareMethods() 和 getDeclaredConstructors() 方法将分别返回类中声明的全部的数据域、全部的方法和全部的构造器，其中包括私有和受保护成员，但不包括父类的成员。

分析对象

在运行时，使用反射分析对象。

从前面一节中，已经知道如何查看任意对象的数据域的名称和类型：

• 获得对应的 Class 对象。
• 调用 Class 对象的 getDeclaredFields() 方法。

本节将进一步查看数据域的实际内容。当然，在编写程序时，如果知道想要査看的数据域的名称和类型，查看指定的数据域是一件很容易的事情。而利用反射机制可以查看在编译时还不清楚的数据域。

查看数据域值的关键方法是 Field 类中的 get() 方法。如果 f 是一个 Field 类型的对象（例如，通过 getDeclaredFields() 得到的对象），obj 是某个包含 f 域的类的对象，f.get(obj) 将返回一个对象，其值为 obj 对象的 f 域的当前值。

当然，可以获得就可以设置。调用 f.set(obj, value) 可以将 obj 对象的 f 域设置成新值。

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public static void main(String[] args) {
    Employee harry = new Employee("Harry Hacker", 35000, 10, 1, 1989);
    Class cl = harry.getClass();
    
    // the class object representing Employee
    Field f = cl.getDeclaredField("name");
    // the name field of the Employee class
    Object v = f.get(harry);
    // the value of the name field of the harry object, i .e., the String object "Harry Hacker"
}

实际上，上面这段代码存在一个问题。由于 name 是一个私有域，所以 get() 方法将会抛出一个 illegalAccessException。只有利用 get() 方法才能得到可访问域的值。除非拥有访问权限，否则 Java 安全机制只允许査看任意对象有哪些域，而不允许读取它们的值。

反射机制的默认行为受限于 Java 的访问控制。然而，如果一个 Java 程序没有受到安全管理器的控制，就可以覆盖访问控制。为了达到这个目的，需要调用 Field、Method 或 Constructor 对象的 setAccessible() 方法。例如：

f.setAtcessible(true); // now OK to call f.get(harry);

setAccessible() 方法是 AccessibleObject 类中的一个方法，AccessibleObject 类是 Field、Method 和 Constructor 类的公共父类。这个特性是为调试、持久存储和相似机制提供的。

调用任意方法

在 C 和 C++ 中，可以从函数指针执行任意函数。从表面上看，Java 没有提供方法指针，即将一个方法的存储地址传给另外一个方法，以便第二个方法能够随后调用它。事实上，Java 的设计者曾说过：方法指针是很危险的，并且常常会带来隐患。他们认为 Java 提供的接口（interface）是一种更好的解决方案。然而，反射机制允许你调用任意方法。

为了能够看到方法指针的工作过程，先回忆一下利用 Field 类的 get() 方法查看数据域值的过程。与之类似，在 Method 类中有一个 invoke() 方法，它允许调用包装在当前 Method 对象中的方法。

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可以使用 method 对象实现 C 语言中函数指针（或 C# 中的委派）的所有操作。同 C 一样，这种程序设计风格并不太简便，出错的可能性也比较大。如果在调用方法的时候提供了一个错误的参数，那么 invoke() 方法将会抛出一个异常。

另外， invoke() 方法的参数和返回值必须是 Object 类型的。这就意味着必须进行多次的类型转换。这样做将会使编译器错过检查代码的机会。因此，等到测试阶段才会发现这些错误，找到并改正它们将会更加困难。

在进行类型转换的过程中，编译器无法检查代码中类型转换的正确性，也就是无法保证转换后的类型与原始类型是兼容的。这样就会增加程序出错的可能性，并且如果出现错误的话，调试和修正也会更加困难。

不仅如此，使用反射获得方法指针的代码执行要比直接调用方法明显慢一些。

有鉴于此，建议仅在必要的时候才使用 Method 对象，而最好使用接口以及 Java8 中的 lambda 表达式。

特别要重申：建议 Java 开发者不要使用 Method 对象的回调功能。使用接口进行回调会使得代码的执行速度更快，更易于维护。

参考资料

《Java核心技术卷一：基础知识》（第10版）第 5 章：继承 5.7 反射