java 反射

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#java #python

本文深入探讨了RTTI（运行时类型识别）和反射机制在Java中的应用，包括类型信息的概念、类型转换检查、运行时类信息的获取以及动态代理的实现。通过具体示例，展示了如何使用反射API进行对象的动态操作。

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基本概念

RTTI，即Run-Time Type Identification，运行时类型识别。RTTI能在运行时就能够自动识别每个编译时已知的类型。

　　要想理解反射的原理，首先要了解什么是类型信息。Java让我们在运行时识别对象和类的信息，主要有2种方式：一种是传统的RTTI，它假定我们在编译时已经知道了所有的类型信息；另一种是反射机制，它允许我们在运行时发现和使用类的信息。

很多时候需要进行向上转型，比如Base类派生出Derived类，但是现有的方法只需要将Base对象作为参数，实际传入的则是其派生类的引用。那么RTTI就在此时起到了作用，比如通过RTTI能识别出Derive类是Base的派生类，这样就能够向上转型为Derived。类似的，在用接口作为参数时，向上转型更为常用，RTTI此时能够判断是否可以进行向上转型。

package typeinfo;

class Base {
    static { System.out.println("加载Base类"); }
}

class Derived extends Base { 
    static { System.out.println("加载Derived类");}
}

public class Test {
    static void printerInfo(Class c) {
        System.out.println("类名: " + c.getName() +
            "是否接口? [" + c.isInterface() + "]");
    }
    public static void main(String[] args) {
        Class c = null;
        try {
            c = Class.forName("typeinfo.Derived");
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            System.out.println("找不到Base类");
            System.exit(1);
        }
        printerInfo(c);
        
        Class up = c.getSuperclass(); // 取得c对象的基类
        Object obj = null;
        try {
            obj = up.newInstance();
        } catch (InstantiationException e) {
            System.out.println("不能实例化");
            System.exit(1);
        } catch (IllegalAccessException e) {
            System.out.println("不能访问");
            System.exit(1);
        }
        printerInfo(obj.getClass());
    } /* 输出:
    加载Base类
    加载Derived类
    类名: typeinfo.Derived是否接口? [false]
    类名: typeinfo.Base是否接口? [false]
    */
}

上述代码中，forName方法是静态方法，参数是类名，用来查找是否存在该类，如果找到则返回一个Class引用，否则会抛出ClassNotFoundException异常。

如果类不是在默认文件夹下，而是在某个包下，前面的包名需要带上，比如这里的typeinfo.Derived。

可以通过getSuperclass方法来返回基类对应的Class对象。使用newInstance方法可以按默认构造创建一个实例对象，在不能实例化和不能访问时分别抛出。会抛出InstantiationException和IllegalAccessException异常。

Java还提供了一种方法来生成对Class对象的引用，即类字面常量。对上述程序来说，up等价于Base.class。

对于基本数据类型的包装类来说，char.class等价于Character.TYPE，int.class等价于Integer.TYPE。其余的ab.class等价于Ab.TYPE。（比如void.class等价于Void.TYP）。另外，Java SE5开始int.class和Integer.class也是一回事。

1.Class 对象

　　理解RTTI在Java中的工作原理，首先需要知道类型信息在运行时是如何表示的，这是由Class对象来完成的，它包含了与类有关的信息。Class对象就是用来创建所有“常规”对象的，Java使用Class对象来执行RTTI，即使你正在执行的是类似类型转换这样的操作。

　　每个类都会产生一个对应的Class对象，也就是保存在.class文件。所有类都是在对其第一次使用时，动态加载到JVM的，当程序创建一个对类的静态成员的引用时，就会加载这个类。Class对象仅在需要的时候才会加载，static初始化是在类加载时进行的。

public class TestMain {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(XYZ.name);
    }
}

class XYZ {
    public static String name = "luoxn28";

    static {
        System.out.println("xyz静态块");
    }

    public XYZ() {
        System.out.println("xyz构造了");
    }
}

输出结果为：

类加载器首先会检查这个类的Class对象是否已被加载过，如果尚未加载，默认的类加载器就会根据类名查找对应的.class文件。

　　想在运行时使用类型信息，必须获取对象(比如类Base对象)的Class对象的引用，使用功能Class.forName(“Base”)可以实现该目的，或者使用base.class。注意，有一点很有趣，使用功能”.class”来创建Class对象的引用时，不会自动初始化该Class对象，使用forName()会自动初始化该Class对象。为了使用类而做的准备工作一般有以下3个步骤：

加载：由类加载器完成，找到对应的字节码，创建一个Class对象
链接：验证类中的字节码，为静态域分配空间
初始化：如果该类有超类，则对其初始化，执行静态初始化器和静态初始化块.

public class Base {
    static int num = 1;
    
    static {
        System.out.println("Base " + num);
    }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 不会初始化静态块
        Class clazz1 = Base.class;
        System.out.println("------");
        // 会初始化
        Class clazz2 = Class.forName("zzz.Base");
    }
}

2、类型转换前先做检查

　　编译器将检查类型向下转型是否合法，如果不合法将抛出异常。向下转换类型前，可以使用instanceof判断。

class Base { }
class Derived extends Base { }

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Base base = new Derived();
        if (base instanceof Derived) {
            // 这里可以向下转换了
            System.out.println("ok");
        }
        else {
            System.out.println("not ok");
        }
    }
}

3、反射：运行时类信息

如果不知道某个对象的确切类型，RTTI可以告诉你，但是有一个前提：这个类型在编译时必须已知，这样才能使用RTTI来识别它。Class类与java.lang.reflect类库一起对反射进行了支持，该类库包含Field、Method和Constructor类，这些类的对象由JVM在启动时创建，用以表示未知类里对应的成员。这样的话就可以使用Contructor创建新的对象，用get()和set()方法获取和修改类中与Field对象关联的字段，用invoke()方法调用与Method对象关联的方法。另外，还可以调用getFields()、getMethods()和getConstructors()等许多便利的方法，以返回表示字段、方法、以及构造器对象的数组，这样，对象信息可以在运行时被完全确定下来，而在编译时不需要知道关于类的任何事情。

　　反射机制并没有什么神奇之处，当通过反射与一个未知类型的对象打交道时，JVM只是简单地检查这个对象，看它属于哪个特定的类。因此，那个类的.class对于JVM来说必须是可获取的，要么在本地机器上，要么从网络获取。所以对于RTTI和反射之间的真正区别只在于：

RTTI，编译器在编译时打开和检查.class文件反射，运行时打开和检查.class文件

public class Person implements Serializable {

    private String name;
    private int age;
// get/set方法
}
public static void main(String[] args) {
    Person person = new Person("luoxn28", 23);
    Class clazz = person.getClass();

    Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();
    for (Field field : fields) {
        String key = field.getName();
        PropertyDescriptor descriptor = new PropertyDescriptor(key, clazz);
        Method method = descriptor.getReadMethod();
        Object value = method.invoke(person);

        System.out.println(key + ":" + value);

    }
}

　　以上通过getReadMethod()方法调用类的get函数，可以通过getWriteMethod()方法来调用类的set方法。通常来说，我们不需要使用反射工具，但是它们在创建动态代码会更有用，反射在Java中用来支持其他特性的，例如对象的序列化和JavaBean等。

4、动态代理

　　代理模式是为了提供额外或不同的操作，而插入的用来替代”实际”对象的对象，这些操作涉及到与”实际”对象的通信，因此代理通常充当中间人角色。Java的动态代理比代理的思想更前进了一步，它可以动态地创建并代理并动态地处理对所代理方法的调用。在动态代理上所做的所有调用都会被重定向到单一的调用处理器上，它的工作是揭示调用的类型并确定相应的策略。以下是一个动态代理示例：