读槿框架设计的灵魂——Java反射机制
Java 反射机制对于小白来说,真的是一道巨大的坎儿,其他的东西吧,无非就是内容多点,多看看多背背就好了,反射真的就是不管看了多少遍不理解就还是不理解,而且学校里面的各大教材应该都没有反射这个章节,有也是一带而过。说实话,在这篇文章之前,我对反射也并非完全了解,毕竟平常开发基本用不到,不过,看完这篇文章相信你对反射就没啥疑点了。
全文脉络思维导图如下:
image1. 抛砖引玉:为什么要使用反射
前文我们说过,接口的使用提高了代码的可维护性和可扩展性,并且降低了代码的耦合度。来看个例子:
首先,我们拥有一个接口 X 及其方法 test,和两个对应的实现类 A、B:
public class Test {
interface X {
public void test();
}
class A implements X{
@Override
public void test() {
System.out.println("I am A");
}
}
class B implements X{
@Override
public void test() {
System.out.println("I am B");
}
}
通常情况下,我们需要使用哪个实现类就直接 new 一个就好了,看下面这段代码:
public class Test {
......
public static void main(String[] args) {
X a = create1("A");
a.test();
X b = create1("B");
b.test();
}
public static X create1(String name){
if (name.equals("A")) {
return new A();
} else if(name.equals("B")){
return new B();
}
return null;
}
}
按照上面这种写法,如果有成百上千个不同的 X 的实现类需要创建,那我们岂不是就需要写上千个 if 语句来返回不同的 X 对象?
我们来看看看反射机制是如何做的:
public class Test {
public static void main(String[] args) {
X a = create2("A");
a.test();
X b = create2("B");
b.testReflect();
}
// 使用反射机制
public static X create2(String name){
Class<?> class = Class.forName(name);
X x = (X) class.newInstance();
return x;
}
}
向 create2()
方法传入包名和类名,通过反射机制动态的加载指定的类,然后再实例化对象。
看完上面这个例子,相信诸位对反射有了一定的认识。反射拥有以下四大功能:
- 在运行时(动态编译)获知任意一个对象所属的类。
- 在运行时构造任意一个类的对象。
- 在运行时获知任意一个类所具有的成员变量和方法。
- 在运行时调用任意一个对象的方法和属性。
上述这种动态获取信息、动态调用对象的方法的功能称为 Java 语言的反射机制。
2. 理解 Class 类
要想理解反射,首先要理解 Class
类,因为 Class
类是反射实现的基础。
在程序运行期间,JVM 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的完整结构信息,包括包名、类名、实现的接口、拥有的方法和字段等。可以通过专门的 Java 类访问这些信息,这个类就是 Class
类。我们可以把 Class
类理解为类的类型,一个 Class
对象,称为类的类型对象,一个 Class
对象对应一个加载到 JVM 中的一个 .class
文件。
<u style="margin: 0px; padding: 0px;">在通常情况下,一定是先有类再有对象</u>。以下面这段代码为例,类的正常加载过程是这样的:
import java.util.Date; // 先有类
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Date date = new Date(); // 后有对象
System.out.println(date);
}
}
首先 JVM 会将你的代码编译成一个 .class
字节码文件,然后被类加载器(Class Loader)加载进 JVM 的内存中,同时会创建一个 Date
类的 Class
对象存到堆中(注意这个不是 new 出来的对象,而是类的类型对象)。JVM 在创建 Date
对象前,会先检查其类是否加载,寻找类对应的 Class
对象,若加载好,则为其分配内存,然后再进行初始化 new Date()
。
需要注意的是,每个类只有一个 Class
对象,也就是说如果我们有第二条 new Date()
语句,JVM 不会再生成一个 Date
的 Class
对象,因为已经存在一个了。这也使得我们可以利用 ==
运算符实现两个类对象比较的操作:
System.out.println(date.getClass() == Date.getClass()); // true
OK,那么在加载完一个类后,堆内存的方法区就产生了一个 Class
对象,这个对象就包含了完整的类的结构信息,我们可以通过这个 Class
对象看到类的结构,就好比一面镜子。所以我们形象的称之为:反射。
说的再详细点,再解释一下。上文说过,在通常情况下,一定是先有类再有对象,我们把这个通常情况称为 “正”。那么反射中的这个 “反” 我们就可以理解为根据对象找到对象所属的类(对象的出处)
Date date = new Date();
System.out.println(date.getClass()); // "class java.util.Date"
通过反射,也就是调用了 getClass()
方法后,我们就获得了 Date
类对应的 Class
对象,看到了 Date
类的结构,输出了 Date
对象所属的类的完整名称,即找到了对象的出处。当然,获取 Class
对象的方式不止这一种。
3. 获取 Class 类对象的四种方式
从 Class
类的源码可以看出,它的构造函数是私有的,也就是说只有 JVM 可以创建 Class
类的对象,我们不能像普通类一样直接 new 一个 Class
对象。
我们只能通过已有的类来得到一个 Class
类对象,Java 提供了四种方式:
第一种:知道具体类的情况下可以使用:
Class alunbarClass = TargetObject.class;
但是我们一般是不知道具体类的,基本都是通过遍历包下面的类来获取 Class 对象,通过此方式获取 Class 对象不会进行初始化。
第二种:通过 Class.forName()
传入全类名获取:
Class alunbarClass1 = Class.forName("com.xxx.TargetObject");
这个方法内部实际调用的是 forName0
:
第 2 个 boolean
参数表示类是否需要初始化,<u style="margin: 0px; padding: 0px;">默认是需要初始化</u>。一旦初始化,就会触发目标对象的 static
块代码执行,static
参数也会被再次初始化。
第三种:通过对象实例 instance.getClass()
获取:
Date date = new Date();
Class alunbarClass2 = date.getClass(); // 获取该对象实例的 Class 类对象
第四种:通过类加载器 xxxClassLoader.loadClass()
传入类路径获取
class clazz = ClassLoader.LoadClass("com.xxx.TargetObject");
<u style="margin: 0px; padding: 0px;">通过类加载器获取 Class 对象不会进行初始化</u>,意味着不进行包括初始化等一些列步骤,静态块和静态对象不会得到执行。这里可以和 forName
做个对比。
4. 通过反射构造一个类的实例
上面我们介绍了获取 Class
类对象的方式,那么成功获取之后,我们就需要构造对应类的实例。下面介绍三种方法,第一种最为常见,最后一种大家稍作了解即可。
① 使用 Class.newInstance
举个例子:
Date date1 = new Date();
Class alunbarClass2 = date1.getClass();
Date date2 = alunbarClass2.newInstance(); // 创建一个与 alunbarClass2 具有相同类类型的实例
创建了一个与 alunbarClass2
具有相同类类型的实例。
需要注意的是,newInstance
方法调用默认的构造函数(无参构造函数)初始化新创建的对象。如果这个类没有默认的构造函数, 就会抛出一个异常。
② 通过反射先获取构造方法再调用
由于不是所有的类都有无参构造函数又或者类构造器是 private
的,在这样的情况下,如果我们还想通过反射来实例化对象,Class.newInstance
是无法满足的。
此时,我们可以使用 Constructor
的 newInstance
方法来实现,先获取构造函数,再执行构造函数。
从上面代码很容易看出,Constructor.newInstance
是可以携带参数的,而 Class.newInstance
是无参的,这也就是为什么它只能调用无参构造函数的原因了。
大家不要把这两个
newInstance
方法弄混了。如果被调用的类的构造函数为默认的构造函数,采用Class.newInstance()
是比较好的选择, 一句代码就 OK;如果需要调用类的带参构造函数、私有构造函数等, 就需要采用Constractor.newInstance()
Constructor.newInstance
是执行构造函数的方法。我们来看看获取构造函数可以通过哪些渠道,作用如其名,以下几个方法都比较好记也容易理解,返回值都通过 Cnostructor
类型来接收。
批量获取构造函数:
1)获取所有"公有的"构造方法
public Constructor[] getConstructors() { }
2)获取所有的构造方法(包括私有、受保护、默认、公有)
public Constructor[] getDeclaredConstructors() { }
单个获取构造函数:
1)获取一个指定参数类型的"公有的"构造方法
public Constructor getConstructor(Class... parameterTypes) { }
2)获取一个指定参数类型的"构造方法",可以是私有的,或受保护、默认、公有
public Constructor getDeclaredConstructor(Class... parameterTypes) { }
举个例子:
package fanshe;
public class Student {
//(默认的构造方法)
Student(String str){
System.out.println("(默认)的构造方法 s = " + str);
}
// 无参构造方法
public Student(){
System.out.println("调用了公有、无参构造方法执行了。。。");
}
// 有一个参数的构造方法
public Student(char name){
System.out.println("姓名:" + name);
}
// 有多个参数的构造方法
public Student(String name ,int age){
System.out.println("姓名:"+name+"年龄:"+ age);//这的执行效率有问题,以后解决。
}
// 受保护的构造方法
protected Student(boolean n){
System.out.println("受保护的构造方法 n = " + n);
}
// 私有构造方法
private Student(int age){
System.out.println("私有的构造方法年龄:"+ age);
}
}
----------------------------------
public class Constructors {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 加载Class对象
Class clazz = Class.forName("fanshe.Student");
// 获取所有公有构造方法
Constructor[] conArray = clazz.getConstructors();
for(Constructor c : conArray){
System.out.println(c);
}
// 获取所有的构造方法(包括:私有、受保护、默认、公有)
conArray = clazz.getDeclaredConstructors();
for(Constructor c : conArray){
System.out.println(c);
}
// 获取公有、无参的构造方法
// 因为是无参的构造方法所以类型是一个null,不写也可以:这里需要的是一个参数的类型,切记是类型
// 返回的是描述这个无参构造函数的类对象。
Constructor con = clazz.getConstructor(null);
Object obj = con.newInstance(); // 调用构造方法
// 获取私有构造方法
con = clazz.getDeclaredConstructor(int.class);
System.out.println(con);
con.setAccessible(true); // 为了调用 private 方法/域 我们需要取消安全检查
obj = con.newInstance(12); // 调用构造方法
}
}
③ 使用开源库 Objenesis
Objenesis 是一个开源库,和上述第二种方法一样,可以调用任意的构造函数,不过封装的比较简洁:
public class Test {
// 不存在无参构造函数
private int i;
public Test(int i){
this.i = i;
}
public void show(){
System.out.println("test..." + i);
}
}
------------------------
public static void main(String[] args) {
Objenesis objenesis = new ObjenesisStd(true);
Test test = objenesis.newInstance(Test.class);
test.show();
}
使用非常简单,Objenesis
由子类 ObjenesisObjenesisStd
实现。详细源码此处就不深究了,了解即可。
5. 通过反射获取成员变量并使用
和获取构造函数差不多,获取成员变量也分批量获取和单个获取。返回值通过 Field
类型来接收。
批量获取:
1)获取所有公有的字段
public Field[] getFields() { }
2)获取所有的字段(包括私有、受保护、默认的)
public Field[] getDeclaredFields() { }
单个获取:
1)获取一个指定名称的公有的字段
public Field getField(String name) { }
2)获取一个指定名称的字段,可以是私有、受保护、默认的
public Field getDeclaredField(String name) { }
获取到成员变量之后,如何修改它们的值呢?
imageset
方法包含两个参数:
- obj:哪个对象要修改这个成员变量
- value:要修改成哪个值
举个例子:
package fanshe.field;
public class Student {
public Student(){
}
public String name;
protected int age;
char sex;
private String phoneNum;
@Override
public String toString() {
return "Student [name=" + name + ", age=" + age + ", sex=" + sex
+ ", phoneNum=" + phoneNum + "]";
}
}
----------------------------------
public class Fields {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 获取 Class 对象
Class stuClass = Class.forName("fanshe.field.Student");
// 获取公有的无参构造函数
Constructor con = stuClass.getConstructor();
// 获取私有构造方法
con = clazz.getDeclaredConstructor(int.class);
System.out.println(con);
con.setAccessible(true); // 为了调用 private 方法/域 我们需要取消安全检查
obj = con.newInstance(12); // 调用构造方法
// 获取所有公有的字段
Field[] fieldArray = stuClass.getFields();
for(Field f : fieldArray){
System.out.println(f);
}
// 获取所有的字段 (包括私有、受保护、默认的)
fieldArray = stuClass.getDeclaredFields();
for(Field f : fieldArray){
System.out.println(f);
}
// 获取指定名称的公有字段
Field f = stuClass.getField("name");
Object obj = con.newInstance(); // 调用构造函数,创建该类的实例
f.set(obj, "刘德华"); // 为 Student 对象中的 name 属性赋值
// 获取私有字段
f = stuClass.getDeclaredField("phoneNum");
f.setAccessible(true); // 暴力反射,解除私有限定
f.set(obj, "18888889999"); // 为 Student 对象中的 phoneNum 属性赋值
}
}
6. 通过反射获取成员方法并调用
同样的,获取成员方法也分批量获取和单个获取。返回值通过 Method
类型来接收。
批量获取:
1)获取所有"公有方法"(包含父类的方法,当然也包含 Object
类)
public Method[] getMethods() { }
2)获取所有的成员方法,包括私有的(不包括继承的)
public Method[] getDeclaredMethods() { }
单个获取:
获取一个指定方法名和参数类型的成员方法:
public Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)
获取到方法之后该怎么调用它们呢?
imageinvoke
方法中包含两个参数:
- obj:哪个对象要来调用这个方法
- args:调用方法时所传递的实参
举个例子:
package fanshe.method;
public class Student {
public void show1(String s){
System.out.println("调用了:公有的,String参数的show1(): s = " + s);
}
protected void show2(){
System.out.println("调用了:受保护的,无参的show2()");
}
void show3(){
System.out.println("调用了:默认的,无参的show3()");
}
private String show4(int age){
System.out.println("调用了,私有的,并且有返回值的,int参数的show4(): age = " + age);
return "abcd";
}
}
-------------------------------------------
public class MethodClass {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 获取 Class对象
Class stuClass = Class.forName("fanshe.method.Student");
// 获取公有的无参构造函数
Constructor con = stuClass.getConstructor();
// 获取所有公有方法
stuClass.getMethods();
Method[] methodArray = stuClass.getMethods();
for(Method m : methodArray){
System.out.println(m);
}
// 获取所有的方法,包括私有的
methodArray = stuClass.getDeclaredMethods();
for(Method m : methodArray){
System.out.println(m);
}
// 获取公有的show1()方法
Method m = stuClass.getMethod("show1", String.class);
System.out.println(m);
Object obj = con.newInstance(); // 调用构造函数,实例化一个 Student 对象
m.invoke(obj, "小牛肉");
// 获取私有的show4()方法
m = stuClass.getDeclaredMethod("show4", int.class);
m.setAccessible(true); // 解除私有限定
Object result = m.invoke(obj, 20);
System.out.println("返回值:" + result);
}
}
7. 反射机制优缺点
优点: 比较灵活,能够在运行时动态获取类的实例。
缺点:
1)性能瓶颈:反射相当于一系列解释操作,通知 JVM 要做的事情,性能比直接的 Java 代码要慢很多。
2)安全问题:反射机制破坏了封装性,因为通过反射可以获取并调用类的私有方法和字段。
8. 反射的经典应用场景
反射在我们实际编程中其实并不会直接大量的使用,但是实际上有很多设计都与反射机制有关,比如:
- 动态代理机制
- 使用 JDBC 连接数据库
- Spring / Hibernate 框架(实际上是因为使用了动态代理,所以才和反射机制有关)
为什么说动态代理使用了反射机制,下篇文章会给出详细解释。
JDBC 连接数据库
在 JDBC 的操作中,如果要想进行数据库的连接,则必须按照以下几步完成:
- 通过
Class.forName()
加载数据库的驱动程序 (通过反射加载) - 通过
DriverManager
类连接数据库,参数包含数据库的连接地址、用户名、密码 - 通过
Connection
接口接收连接 - 关闭连接
public static void main(String[] args) throws Exception {
Connection con = null; // 数据库的连接对象
// 1\. 通过反射加载驱动程序
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
// 2\. 连接数据库
con = DriverManager.getConnection(
"jdbc:mysql://localhost:3306/test","root","root");
// 3\. 关闭数据库连接
con.close();
}
Spring 框架
反射机制是 Java 框架设计的灵魂,框架的内部都已经封装好了,我们自己基本用不着写。典型的除了Hibernate 之外,还有 Spring 也用到了很多反射机制,最典型的就是 Spring 通过 xml 配置文件装载 Bean(创建对象),也就是 Spring 的 IoC,过程如下:
- 加载配置文件,获取 Spring 容器
- 使用反射机制,根据传入的字符串获得某个类的 Class 实例
// 获取 Spring 的 IoC 容器,并根据 id 获取对象
public static void main(String[] args) {
// 1.使用 ApplicationContext 接口加载配置文件,获取 spring 容器
ApplicationContext ac = new ClassPathXmlApplicationContext("spring.xml");
// 2\. 使用反射机制,根据这个字符串获得某个类的 Class 实例
IAccountService aService = (IAccountService) ac.getBean("accountServiceImpl");
System.out.println(aService);
}
另外,Spring AOP 由于使用了动态代理,所以也使用了反射机制