Java | 反射：在运行时访问类型信息（含 Kotlin）

2020-08-23 本文已影响0人彭旭锐

前言

反射（Reflection）是一种在运行时动态访问类型信息的机制。
在这篇文章里，我将带你梳理Java & Kotlin反射的使用攻略，追求简单易懂又不失深度，如果能帮上忙，请务必点赞加关注！

延伸文章

关于方法解析 & 分派，请阅读：《Java | 深入理解方法调用的本质（含重载与重写区别）》
关于Class 文件，请阅读：《Java | 请概述一下 Class 文件的结构》
关于注解，请阅读：《Java | 这是一篇全面的注解使用攻略（含 Kotlin）》

1. 类型系统的基本概念

首先，梳理一一下类型系统的基础概念：

问：什么是强 / 弱类型语言？：
答：强 / 弱类型语言的区分，关键在于变量是否（倾向于）类型兼容。例如，Java 是强类型语言，变量有固定的类型，以下代码在 Java 中是非法的：

public class MyRunnable {
    public abstract void run();
}

// 编译错误:Incompatible types
java.lang.Runnable runnable = new MyRunnable() { 
    @Override
    public void run() {
        
    }
}
runnable.run(); // X

相对地，JavaScript 是弱类型语言，一个变量没有固定的类型，允许接收不同类型的值：

function MyRunnable(){
    this.run = function(){
    }
}
function Runnable(){
    this.run = function(){
    }
}
var ss = new MyRunnable();
ss.run(); // 只要对象有相同方法签名的方法即可
ss = new Runnable();
ss.run();

更具体地描述，Java的强类型特性体现为：变量仅允许接收相同类型或子类型的值。嗯（黑人问号脸）？和你的理解一致吗？请看下面代码，哪一行是有问题的：

注意，请读者假设 1 ~ 4 号代码是单独运行的

long numL = 1L;
int numI = 0;
numL = numI; // 1
numI = (int)numL; // 2

Integer integer = new Integer(0);
Object obj = new Object();
integer = (Integer) obj; // 3 ClassCastException
obj = integer; // 4

1：调用字节码指令 i2l，将 int 值转换为 long 值 $\scriptsize \color{#999999}{（此时，numL 变量接收的是相同类型的值，命题正确）}$
2：调用字节码指令 l2i，将 long 值转换为 int 值 $\scriptsize \color{#999999}{（此时，numI 变量接收的是相同类型的值，命题正确）}$
3：调用字节码指令 checkcast，发现 obj 变量的值不是 Integer 类型，抛出 ClassCastException $\scriptsize \color{#999999}{（此时，Integer 变量不允许接收 Object 对象，命题正确）}$
4：integer 变量的值是 obj 变量的子类型，可以接收 $\scriptsize \color{#999999}{（此时，Object 变量允许接收 Integer 对象，命题正确）}$

用一张图概括一下：

问：什么是静态 / 动态类型语言？
答：静态 / 动态类型语言的区分，关键在于类型检查是否（倾向于）编译时执行。例如， Java & C/C++ 是静态类型语言，而 JavaScript 是动态类型语言。需要注意的是，这个定义并不是绝对的，例如 Java 也存在运行时类型检查的方式，例如上面提到的 checkcast 指令本质上是在运行时检查变量的类型与对象的类型是否相同。那么 Java 是如何在运行时获得类型信息的呢？这就是我们下一节要讨论的问题。

2. 反射的基本概念

问：什么是反射？为什么要使用反射？
答：反射（Reflection）是一种在运行时动态访问类型信息的机制。Java 是静态强类型语言，它倾向于在编译时进行类型检查，因此当我们访问一个类时，它必须是编译期已知的，而使用反射机制可以解除这种限制，赋予 Java 语言动态类型的特性。例如：
```
void func(Object obj) {
    try {
        Method method = obj.getClass().getMethod("run",null);
        method.invoke(obj,null);
    } 
    ... 省略 catch 块
}
func(runnable); 调用 Runnale#run()
func(myRunnable); 调用 MyRunnale#run()
```
问：Java 运行时类型信息是如何表示的？
所有的类在第一次使用时动态加载到内存中，并构造一个 Class 对象，其中包含了与类有关的所有信息，Class 对象是运行时访问类型信息的入口。需要注意的是，每个类 / 内部类 / 接口都拥有各自的 Class 对象。
问：获取 Class 对象有几种方式，有什么区别？
答：获取 Class 对象是反射的起始步骤，具体来说，分为以下三种方式：

问：为什么反射性能差，怎么优化？
答：Editting...

3. 反射调用的实现

Editting...

4. 反射的应用场景

4.1 类型判断

4.2 创建对象 & 数组

创建对象
创建对象有两种方式：

1、使用 Class.newInstance()，适用于类拥有无参构造方法
Class<?> classType = Class.forName("java.lang.String");
String str= (String) classType.newInstance();
---------------------------------------------------
2、Constructor.newInstance()，适用于使用带参数的构造方法
Class<?> classType = Class.forName("java.lang.String");
Constructor<?> constructor = classType.getConstructor(new Class[]{String.class});
constructor.setAccessible(true);
String employee3 = (String) constructor.newInstance(new Object[]{"123"});

创建数组
创建数组需要元素的 Class 对象作为 ComponentType：

1、创建一维数组
Class<?> classType = Class.forName("java.lang.String");
String[] array = (String[]) Array.newInstance(classType, 5);  长度为5
Array.set(array, 3, "abc");  设置元素
String string = (String) Array.get(array,3);  读取元素
---------------------------------------------------
2、创建多维数组
Class[] dimens = {3, 3};
Class[][] array = (Class[][]) Array.newInstance(int.class, dimens);

4.3 访问字段、方法

Editting...

4.4 获取泛型信息

我们知道，编译期会进行类型擦除，Code 属性中的类型信息会被擦除，但是在类常量池属性（Signature属性、LocalVariableTypeTable属性）中还保留着泛型信息，因此我们可以通过反射来获取这部分信息。在这篇文章里，我们详细讨论：《Java | 关于泛型能问的都在这里了（含Kotlin）》，请关注！

4.5 获取运行时注解信息

注解是一种添加到声明上的元数据，而RUNTIME注解在类加载后会保存在 Class 对象，可以反射获取。在这篇文章里，我们详细讨论：《Java | 这是一篇全面的注解使用攻略（含 Kotlin）》，请关注！

参考资料

《Kotlin实战》（第10章）—— [俄] Dmitry Jemerov，Svetlana Isakova 著
《Kotlin 核心编程》（第8章）—— 水滴技术团队著
《深入理解JVM字节码》（第3.5节）—— 张亚著
《Java编程思想》（第19、23章）—— [美] Bruce Eckel 著
《深入理解Java虚拟机（第3版）》（第8、10章）—— 周志明著