今天分享Java学习的第七个专题——反射。

反射概述

Java 中的反射(Reflection)机制是指，Java 程序在运行期间可以获取到一个对象的全部信息。

反射机制一般用来解决Java 程序运行期间，对某个实例对象一无所知的情况下，如何调用该对象内部的方法问题。

反射机制允许 Java 程序在运行时调用Reflection API取得任何类的内部信息(比如成员变量、构造器、成员方法等)，并能操作类的实例对象的属性以及方法。

在Java 程序中，JVM 加载完一个类后，在堆内存中就会产生该类的一个 Class 对象，一个类在堆内存中最多只会有一个 Class 对象，这个Class 对象包含了该类的完整结构信息，我们通过这个 Class 对象便可以得到该类的完整结构信息，将获取Class对象的过程称为：反射。

精通Java系列｜Java反射机制_Java

实现Java反射的基础

Java 提供反射机制，依赖于 Class 类和 java.lang.reflect 类库。其主要的类如下：

  • Class：表示类或者接口
  • Field：表示类中的成员变量
  • Method：表示类中的方法
  • Constructor：表示类的构造方法
  • Array：该类提供了动态创建数组和访问数组元素的静态方法

Class类

在Java语言中，Class类是一个特殊的类，它代表运行时的类型信息。事实上，Java中的每一个类都与一个Class对象相关联，在编写并编译任何新类时，该类的信息被封装并保存到一个.class文件中。当我们通过关键字new创建一个对象实例或者访问一个类的静态成员时，Java虚拟机(JVM)的类加载器子系统会将相应的Class对象加载到JVM的内存空间中。紧接着，JVM利用这些加载的Class对象信息来实例化新的对象或者返回静态成员的引用。

我们通常将Class类称之为“类类型”(class type)，而每个类关联的Class对象称之为“类类型对象”(class type object)。Class类具有一些特殊的特性：

  • Class本身也是一个类，而class则是Java语言中的一个关键字。
  • Class类有一个私有的构造函数，因而它的实例只能由JVM内部创建。
  • 对于同一个类(即具有相同的完全限定名，并由相同的类加载器加载的类)，在JVM中只存在一个唯一的Class对象来描述其类型信息。

.class文件包含了一个类的完整定义，包括它的所有方法、构造函数、字段(成员变量)等。当JVM启动时，它会通过读取.class文件来将对应的类加载到内存中。

在Class类的源码中，有一个私有构造器：

/*
 * 私有构造器，只有JVM能够创造Class对象。
 */
private Class(ClassLoader loader) {
    classLoader = loader;
}
  • 1.
  • 2.
  • 3.
  • 4.
  • 5.
  • 6.

提供了几个获取类实例的方法：

(1)forName()：

// 获取类的实例方法:通过forName获取Class实例，其中类的名称要写类的完整路径
// 该方法只能用于获取引用类型的类类型对象
// 这种方式会使用当前的类的加载器加载，并且会将Class类实例初始化
Class<?> aClass = Class.forName("java.lang.String");
  • 1.
  • 2.
  • 3.
  • 4.

使用该方法可能会抛出 ClassNotFoundException 异常，这个异常发生在类的加载阶段，原因如下：

  • 类加载器在类路径中没有找到该类(检查：查看所在加载的类以及其所依赖的包是否在类路径下)
  • 该类已经被某个类加载器加载到 JVM 内存中，另外一个类加载器又尝试从同一个包中加载

(2)Object.getClass() 方法

如果我们有一个类的对象，那么我们可以通过 Object.getClass 方法获得该类的 Class 对象。

Class<? extends String> aClass1 = "string".getClass();
  • 1.

(3)class属性

// 类类型的名称.class: 使用 class 语法获取该类类型的对象
Class<Integer> integerClass = Integer.class;
  • 1.
  • 2.

总结一下，Class也是一个类，其类名就叫Class，因此它也继承 Object 类；

Class类对象不是由我们程序员创建(new)出来的，而是在类加载时由 JVM 自动创建的。

在堆内存中最多只会存在某个类的唯一的Class对象，因为类只会加载一次，每个类的实例对象都会知道自己对应的Class对象，通过Class类对象可以完整地得到其对应的类的信息，通过一系列反射 API。

类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类class时，会将其加载进内存。

每加载一种class，JVM就为其创建一个Class类的对象，并将两者关联起来。注意：这里的Class类是一个名字叫Class的类class。

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，在堆中为String类创建一个Class类对象并将两者关联起来：

Class cls = new Class(String);
  • 1.

注意：这个Class类对象是 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，即只有 JVM 能创建Class类对象，我们程序员自己的 Java 程序是无法创建Class类对象的。

由于JVM为每个加载的类class创建了对应的Class类对象，并在实例中保存了该类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类对象，我们就可以通过这个Class类对象获取到其对应的类class的所有信息。

这种通过Class实例获取类class信息的方法称为反射(Reflection)。

// 获取Class类的一个实例
// 方式1
Class cls = String.class;
//方式2
String s = "Hello";
Class cls2 = s.getClass();
//方式3
Class cls3 = Class.forName("java.lang.String");//里面填写的是类的完整类名
//方式4
Class intClass = int.class;//基本数据类型
//方式5
Class type1 = Integer.TYPE;//包装类
  • 1.
  • 2.
  • 3.
  • 4.
  • 5.
  • 6.
  • 7.
  • 8.
  • 9.
  • 10.
  • 11.
  • 12.

获取类的私有属性：

//对于私有属性，可以通过getDeclaredField方式获取
Field fname =  clazz.getDeclaredField("name");
//取到对应的值
Object value = fname.get(p);
System.out.println(value);
  • 1.
  • 2.
  • 3.
  • 4.
  • 5.

这里可能有小伙伴发现了一个问题，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？

答案是一般情况下，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这些访问权限修饰符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对象任何信息的情况下，获取特定字段的值。

封装性存在的意义是隐藏私有内容，为了给使用者提供更方便、更好用的公共接口。但是调用者应该有权限获取对象中私有的内容，因此需要用到反射机制。

Field

Field 提供了有关类或接口的单个属性的信息，以及对它的动态访问的能力。

Class<?> student = Class.forName("com.wangbucuo.demo03.Student");
Field name = student.getField("name");
  • 1.
  • 2.

此外，还有Method、Constructor两个能力：

Method 提供了有关类或接口的单个方法的信息，以及对它的动态访问的能力。

Constructor 提供了有关类的构造方法的信息，以及对它的动态访问的能力。

由于与Field用法相同，这里就不在赘述了。

动态代理

有没有可能不编写实现类，直接在运行期创建某个interface的实例呢？

这是可能的，因为 Java 标准库提供了一种动态代理(Dynamic Proxy)的机制：可以在运行期动态创建某个interface的实例。

什么叫运行期动态创建？

动态代码，我们仍然先定义了接口，但是我们并不去编写实现类，而是直接通过 JDK 提供的一个Proxy.newProxyInstance()方法创建了一个接口对象。这种没有实现类但是在运行期动态创建了一个接口对象的方式，我们称为动态代理。JDK 提供的动态创建接口对象的方式，就叫动态代理。