反射
什么是反射?
反射就是 Reflection,Java 的反射是指程序在运行期可以拿到一个对象的所有信息。
正常情况下,如果我们要调用一个对象的方法,或者访问一个对象的字段,通常会传入对象实例:
但是,如果不能获得 Person
类,只有一个 Object
实例,比如这样:
怎么办?强制转型啊!???
强制转型的时候,会发现一个问题:编译上面的代码,仍然需要引用 Person
类。不然,去掉 import
语句,看能不能编译通过?
所以,反射是为了解决在运行期,对某个实例一无所知的情况下,如何调用其方法。
Class 类
除了 int
等基本类型外,Java 的其他类型全部都是 class
(包括 interface
)。例如:
String
Object
Runnable
Exception
- …
仔细思考,我们可以得出结论:class
(包括 interface
)的本质是数据类型(Type
)。无继承关系的数据类型无法赋值:
而 class
是由 JVM 在执行过程中动态加载的。JVM 在第一次读取到一种 class
类型时,将其加载进内存。
每加载一种 class
,JVM 就为其创建一个 Class
类型的实例,并关联起来。注意:这里的 Class
类型是一个名叫 Class
的 class
。它长这样:
以 String
类为例,当 JVM 加载 String
类时,它首先读取 String.class
文件到内存,然后,为 String
类创建一个 Class
实例并关联起来:
这个 Class
实例是 JVM 内部创建的,如果我们查看 JDK 源码,可以发现 Class
类的构造方法是 private
,只有 JVM 能创建 Class
实例,我们自己的 Java 程序是无法创建 Class
实例的。
所以,JVM 持有的每个 Class
实例都指向一个数据类型(class
或 interface
):
一个 Class
实例包含了该 class
的所有完整信息:
由于 JVM 为每个加载的 class
创建了对应的 Class
实例,并在实例中保存了该 class
的所有信息,包括类名、包名、父类、实现的接口、所有方法、字段等,因此,如果获取了某个 Class
实例,我们就可以通过这个 Class
实例获取到该实例对应的 class
的所有信息。
这种通过 Class
实例获取 class
信息的方法称为反射(Reflection)。
如何获取一个 class
的 Class
实例?有三个方法:
方法一:直接通过一个 class
的静态变量 class
获取:
方法二:如果我们有一个实例变量,可以通过该实例变量提供的 getClass()
方法获取:
方法三:如果知道一个 class
的完整类名,可以通过静态方法 Class.forName()
获取:
因为 Class
实例在 JVM 中是唯一的,所以,上述方法获取的 Class
实例是同一个实例。可以用 ==
比较两个 Class
实例:
注意一下 Class
实例比较和 instanceof
的差别:
用 instanceof
不但匹配指定类型,还匹配指定类型的子类。而用 ==
判断 class
实例可以精确地判断数据类型,但不能作子类型比较。
通常情况下,我们应该用 instanceof
判断数据类型,因为面向抽象编程的时候,我们不关心具体的子类型。只有在需要精确判断一个类型是不是某个 class
的时候,我们才使用 ==
判断 class
实例。
因为反射的目的是为了获得某个实例的信息。因此,当我们拿到某个 Object
实例时,我们可以通过反射获取该 Object
的 class
信息:
要从 Class
实例获取获取的基本信息,参考下面的代码:
注意到数组(例如 String[]
)也是一种类,而且不同于 String.class
,它的类名是 [Ljava.lang.String;
。此外,JVM 为每一种基本类型如 int
也创建了 Class
实例,通过 int.class
访问。
如果获取到了一个 Class
实例,我们就可以通过该 Class
实例来创建对应类型的实例:
上述代码相当于 new String()
。通过 Class.newInstance()
可以创建类实例,它的局限是:只能调用 public
的无参数构造方法。带参数的构造方法,或者非 public
的构造方法都无法通过 Class.newInstance()
被调用。
动态加载
JVM 在执行 Java 程序的时候,并不是一次性把所有用到的 class 全部加载到内存,而是第一次需要用到 class 时才加载。例如:
当执行 Main.java
时,由于用到了 Main
,因此,JVM 首先会把 Main.class
加载到内存。然而,并不会加载 Person.class
,除非程序执行到 create()
方法,JVM 发现需要加载 Person
类时,才会首次加载 Person.class
。如果没有执行 create()
方法,那么 Person.class
根本就不会被加载。
这就是 JVM 动态加载 class
的特性。
动态加载 class
的特性对于 Java 程序非常重要。利用 JVM 动态加载 class
的特性,我们才能在运行期根据条件加载不同的实现类。例如,Commons Logging 总是优先使用 Log4j,只有当 Log4j 不存在时,才使用 JDK 的 logging。利用 JVM 动态加载特性,大致的实现代码如下:
这就是为什么我们只需要把 Log4j 的 jar 包放到 classpath 中,Commons Logging 就会自动使用 Log4j 的原因。
小结
- JVM 为每个加载的
class
及interface
创建了对应的Class
实例来保存class
及interface
的所有信息; - 获取一个
class
对应的Class
实例后,就可以获取该class
的所有信息; - 通过 Class 实例获取
class
信息的方法称为反射(Reflection); - JVM 总是动态加载
class
,可以在运行期根据条件来控制加载 class。
访问字段
对任意的一个 Object
实例,只要我们获取了它的 Class
,就可以获取它的一切信息。
我们先看看如何通过 Class
实例获取字段信息。Class
类提供了以下几个方法来获取字段:
- Field getField(name):根据字段名获取某个 public 的 field(包括父类)
- Field getDeclaredField(name):根据字段名获取当前类的某个 field(不包括父类)
- Field[] getFields():获取所有 public 的 field(包括父类)
- Field[] getDeclaredFields():获取当前类的所有 field(不包括父类)
我们来看一下示例代码:
上述代码首先获取 Student
的 Class
实例,然后,分别获取 public
字段、继承的 public
字段以及 private
字段,打印出的 Field
类似:
一个 Field
对象包含了一个字段的所有信息:
getName()
:返回字段名称,例如,"name"
;getType()
:返回字段类型,也是一个Class
实例,例如,String.class
;getModifiers()
:返回字段的修饰符,它是一个int
,不同的 bit 表示不同的含义。
以 String
类的 value
字段为例,它的定义是:
我们用反射获取该字段的信息,代码如下:
获取字段值
利用反射拿到字段的一个 Field
实例只是第一步,我们还可以拿到一个实例对应的该字段的值。
例如,对于一个 Person
实例,我们可以先拿到 name
字段对应的 Field
,再获取这个实例的 name
字段的值:
上述代码先获取 Class
实例,再获取 Field
实例,然后,用 Field.get(Object)
获取指定实例的指定字段的值。
运行代码,如果不出意外,会得到一个 IllegalAccessException
,这是因为 name
被定义为一个 private
字段,正常情况下,Main
类无法访问 Person
类的 private
字段。要修复错误,可以将 private
改为 public
,或者,在调用 Object value = f.get(p);
前,先写一句:
调用 Field.setAccessible(true)
的意思是,别管这个字段是不是 public
,一律允许访问。
可以试着加上上述语句,再运行代码,就可以打印出 private
字段的值。
有童鞋会问:如果使用反射可以获取 private
字段的值,那么类的封装还有什么意义?
答案是正常情况下,我们总是通过 p.name
来访问 Person
的 name
字段,编译器会根据 public
、protected
和 private
决定是否允许访问字段,这样就达到了数据封装的目的。
而反射是一种非常规的用法,使用反射,首先代码非常繁琐,其次,它更多地是给工具或者底层框架来使用,目的是在不知道目标实例任何信息的情况下,获取特定字段的值。
此外,setAccessible(true)
可能会失败。如果 JVM 运行期存在 SecurityManager
,那么它会根据规则进行检查,有可能阻止 setAccessible(true)
。例如,某个 SecurityManager
可能不允许对 java
和 javax
开头的 package
的类调用 setAccessible(true)
,这样可以保证 JVM 核心库的安全。
设置字段值
通过 Field 实例既然可以获取到指定实例的字段值,自然也可以设置字段的值。
设置字段值是通过 Field.set(Object, Object)
实现的,其中第一个 Object
参数是指定的实例,第二个 Object
参数是待修改的值。示例代码如下:
运行上述代码,打印的 name
字段从 Xiao Ming
变成了 Xiao Hong
,说明通过反射可以直接修改字段的值。
同样的,修改非 public
字段,需要首先调用 setAccessible(true)
。
小结
- Java 的反射 API 提供的
Field
类封装了字段的所有信息: - 通过
Class
实例的方法可以获取Field
实例:getField()
,getFields()
,getDeclaredField()
,getDeclaredFields()
; - 通过 Field 实例可以获取字段信息:
getName()
,getType()
,getModifiers()
; - 通过 Field 实例可以读取或设置某个对象的字段,如果存在访问限制,要首先调用
setAccessible(true)
来访问非public
字段。 - 通过反射读写字段是一种非常规方法,它会破坏对象的封装。
调用方法
我们已经能通过 Class
实例获取所有 Field
对象,同样的,可以通过 Class
实例获取所有 Method
信息。Class
类提供了以下几个方法来获取 Method
:
Method getMethod(name, Class...)
:获取某个public
的Method
(包括父类)Method getDeclaredMethod(name, Class...)
:获取当前类的某个Method
(不包括父类)Method[] getMethods()
:获取所有public
的Method
(包括父类)Method[] getDeclaredMethods()
:获取当前类的所有Method
(不包括父类)
我们来看一下示例代码:
上述代码首先获取 Student
的 Class
实例,然后,分别获取 public
方法、继承的 public
方法以及 private
方法,打印出的 Method
类似:
一个 Method
对象包含一个方法的所有信息:
getName()
:返回方法名称,例如:"getScore"
;getReturnType()
:返回方法返回值类型,也是一个 Class 实例,例如:String.class
;getParameterTypes()
:返回方法的参数类型,是一个 Class 数组,例如:{String.class, int.class}
;getModifiers()
:返回方法的修饰符,它是一个int
,不同的 bit 表示不同的含义。
调用方法
当我们获取到一个 Method
对象时,就可以对它进行调用。我们以下面的代码为例:
如果用反射来调用 substring
方法,需要以下代码:
注意到 substring()
有两个重载方法,我们获取的是 String substring(int)
这个方法。思考一下如何获取 String substring(int, int)
方法。
对 Method
实例调用 invoke
就相当于调用该方法,invoke
的第一个参数是对象实例,即在哪个实例上调用该方法,后面的可变参数要与方法参数一致,否则将报错。
调用静态方法
如果获取到的 Method 表示一个静态方法,调用静态方法时,由于无需指定实例对象,所以 invoke
方法传入的第一个参数永远为 null
。我们以 Integer.parseInt(String)
为例:
调用非 public 方法
和 Field 类似,对于非 public 方法,我们虽然可以通过 Class.getDeclaredMethod()
获取该方法实例,但直接对其调用将得到一个 IllegalAccessException
。为了调用非 public 方法,我们通过 Method.setAccessible(true)
允许其调用:
此外,setAccessible(true)
可能会失败。如果 JVM 运行期存在 SecurityManager
,那么它会根据规则进行检查,有可能阻止 setAccessible(true)
。例如,某个 SecurityManager
可能不允许对 java
和 javax
开头的 package
的类调用 setAccessible(true)
,这样可以保证 JVM 核心库的安全。
多态
我们来考察这样一种情况:一个 Person
类定义了 hello()
方法,并且它的子类 Student
也覆写了 hello()
方法,那么,从 Person.class
获取的 Method
,作用于 Student
实例时,调用的方法到底是哪个?
运行上述代码,发现打印出的是 Student:hello
,因此,使用反射调用方法时,仍然遵循多态原则:即总是调用实际类型的覆写方法(如果存在)。上述的反射代码:
实际上相当于:
小结
- Java 的反射 API 提供的 Method 对象封装了方法的所有信息:
- 通过
Class
实例的方法可以获取Method
实例:getMethod()
,getMethods()
,getDeclaredMethod()
,getDeclaredMethods()
; - 通过
Method
实例可以获取方法信息:getName()
,getReturnType()
,getParameterTypes()
,getModifiers()
; - 通过
Method
实例可以调用某个对象的方法:Object invoke(Object instance, Object... parameters)
; - 通过设置
setAccessible(true)
来访问非public
方法; - 通过反射调用方法时,仍然遵循多态原则。
调用构造方法
我们通常使用 new
操作符创建新的实例:
如果通过反射来创建新的实例,可以调用 Class 提供的 newInstance() 方法:
调用 Class.newInstance()的局限是,它只能调用该类的 public 无参数构造方法。如果构造方法带有参数,或者不是 public,就无法直接通过 Class.newInstance() 来调用。
为了调用任意的构造方法,Java 的反射 API 提供了 Constructor 对象,它包含一个构造方法的所有信息,可以创建一个实例。Constructor 对象和 Method 非常类似,不同之处仅在于它是一个构造方法,并且,调用结果总是返回实例:
通过 Class 实例获取 Constructor 的方法如下:
getConstructor(Class...)
:获取某个public
的Constructor
;getDeclaredConstructor(Class...)
:获取某个Constructor
;getConstructors()
:获取所有public
的Constructor
;getDeclaredConstructors()
:获取所有Constructor
。
注意 Constructor
总是当前类定义的构造方法,和父类无关,因此不存在多态的问题。
调用非 public
的 Constructor
时,必须首先通过 setAccessible(true)
设置允许访问。setAccessible(true)
可能会失败。
小结
Constructor
对象封装了构造方法的所有信息;- 通过
Class
实例的方法可以获取Constructor
实例:getConstructor()
,getConstructors()
,getDeclaredConstructor()
,getDeclaredConstructors()
; - 通过
Constructor
实例可以创建一个实例对象:newInstance(Object... parameters)
; 通过设置setAccessible(true)
来访问非public
构造方法。
获取继承关系
当我们获取到某个 Class
对象时,实际上就获取到了一个类的类型:
还可以用实例的 getClass()
方法获取:
最后一种获取 Class
的方法是通过 Class.forName("")
,传入 Class
的完整类名获取:
这三种方式获取的 Class
实例都是同一个实例,因为 JVM 对每个加载的 Class
只创建一个 Class
实例来表示它的类型。
获取父类的 Class
有了 Class
实例,我们还可以获取它的父类的 Class
:
运行上述代码,可以看到,Integer
的父类类型是 Number
,Number
的父类是 Object
,Object
的父类是 null
。除 Object
外,其他任何非 interface
的 Class
都必定存在一个父类类型。
获取 interface
由于一个类可能实现一个或多个接口,通过 Class
我们就可以查询到实现的接口类型。例如,查询 Integer
实现的接口:
运行上述代码可知,Integer
实现的接口有:
- java.lang.Comparable
- java.lang.constant.Constable
- java.lang.constant.ConstantDesc
要特别注意:getInterfaces()
只返回当前类直接实现的接口类型,并不包括其父类实现的接口类型:
Integer
的父类是 Number
,Number
实现的接口是 java.io.Serializable
。
此外,对所有 interface
的 Class
调用 getSuperclass()
返回的是 null
,获取接口的父接口要用 getInterfaces()
:
如果一个类没有实现任何 interface
,那么 getInterfaces()
返回空数组。
继承关系
当我们判断一个实例是否是某个类型时,正常情况下,使用 instanceof
操作符:
如果是两个 Class
实例,要判断一个向上转型是否成立,可以调用 isAssignableFrom()
:
小结
- 通过
Class
对象可以获取继承关系: Class getSuperclass()
:获取父类类型;Class[] getInterfaces()
:获取当前类实现的所有接口。- 通过
Class
对象的isAssignableFrom()
方法可以判断一个向上转型是否可以实现。
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