RTTI与Java反射技术详解
本文深入探讨了运行时类型信息（RTTI）及其在Java中的应用，通过实例展示了如何利用Class对象获取类的元信息，理解静态代码块的执行时机，以及泛型Class引用的使用。进一步阐述了反射概念，解释了RTTI与反射的区别，通过实例演示了如何通过反射动态获取和调用类的方法，包括访问私有方法和成员。同时，对比了C++的RTTI支持，并通过具体代码示例说明了Java反射的强大功能。
运行时类型信息（RTTI：Run-Time Type Identification）使得你可以在程序运行时发现和使用类型信息
RTTI
为什么需要 RTTI
通常，我们希望大部分代码尽可能的少了解对象的具体类型，仅仅与对象家族中的一个通用表示打交道。这样的代码会更容易写，更容易读，且更容易维护；设计也更容易实现、理解和改变。所以“多态”是面向对象编程的基本目标。
来看书上的一个例子：
package typeinfo;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* Created by wwh on 16-3-21.
*/
abstract class Shape {
void draw() {
System.out.println(this + ".draw()");
}
abstract public String toString();
}
class Circle extends Shape {
@Override
public String toString() {
return "Circle";
}
}
class Square extends Shape {
@Override
public String toString() {
return "Square";
}
}
class Triangle extends Shape {
@Override
public String toString() {
return "Triangle";
}
}
public class Shapes {
public static void main(String []args) {
List<Shape> shapeList = new ArrayList<Shape>();
shapeList.add(new Circle());
shapeList.add(new Triangle());
shapeList.add(new Square());
for(Shape shape : shapeList) {
shape.draw();
}
}
}
很简单的一个例子，我们可以通过基类（抽象类）的引用控制派生类，这样基类（抽象类）就是此类的一个通用的方法，不同的需求放在派生类中来实现。
实际运用可参考这篇文章 重构：运用Java反射加多态 “干掉” switch
Class 对象
类型信息在运行时是通过 Class 对象来完成的，Class 对象保存着同名类的元信息，它用来创建类的实例对象。
元信息包含：类的所有方法代码，类的静态成员等。
每个类都有个同名的 Class 对象，在起初用命令行时，javac xx.java 编译后就会生成 .class 文件（保存着对应类的 Class 数据）。在实际使用中，JVM 通过类加载系统来生成此类对象。
所有的类都是在第一次使用时，动态加载到 JVM 中（惰性加载）。所谓第一次使用指的是：当程序创建第一个对类的静态成员的引用时。
package typeinfo;
/**
* Created by wwh on 16-3-21.
*/
class Candy {
static {
System.out.println("Loading Candy");
}
}
class Gum {
static {
System.out.println("Loading Gum");
}
}
class Cookie {
static {
System.out.println("Loading Cookie");
}
}
public class SweetShop {
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
/* 类的构造方法也是静态方法，第一次加载调用 static 代码块 */
new Candy();
try{
/* forName 是显示加载类 */
Class.forName("typeinfo.Gum");
}catch (ClassNotFoundException e) {
System.out.println("Not found Gum");
}
new Cookie();
/* 第二次加载没有调用 static 代码块*/
new Candy();
}
}
类的静态代码块只有第一次使用该类时才会调用，从上面例子我们可以得知在第一次实例化类或者通过 Class.forName() 都可以加载类的 Class，一旦某个类的 Class 被载入内存，它就被用来创建这个类的所有对象。
所有 Class 对象都属于 Class 类，我们可以通过 Class 对象的 forName ()方法来获取不同类的 Class。
从上图得知我们可以通过类的 Class 对象在运行时获取很多相关信息。
类字面常量
Java 还提供了另一种方法来生成 Class 对象的引用，即类字面常量。如直接使用 Gum.class 而不用通过 forName() 方法。比较高效，而且更简单，安全。
注意：当使用 .class 创建对 Class 对象的引用时，不会自动初始化该 Class 对象。forName() 方法会立即初始化。
为了使用类而做的准备工作包含三个步骤：
1.加载：由类加载器执行嗯。查找字节码，并从字节码中创建一个 Class 对象。
2.链接：验证类中字节码，为静态域分配存储空间。
3.初始化：如果该类具有超类，则对其进行初始化，执行静态初始化器和静态初始化块。
如果类中的一个值是编译期常量，那么不需要加载就可以读取。如 static final 修饰的变量。如果仅仅是 static 修饰的变量，对他访问时，要先进行链接和初始化。
泛化的 Class 引用
如果我们直接定义一个 Class 引用，这样会缺少类型检查，不会产生编译器警告。如下
public class WildcardClassReferences {
public static void main(String []args){
Class intClass = int.class;
intClass = double.class;
}
}此时我们可以使用泛化的 Class
public class WildcardClassReferences {
public static void main(String []args){
Class<?> intclass = int.class;
intclass = double.class;
}
}Class <？> 可以表明我们本身就是要选择一个非具体的类引用。除此之外，我们还可以为 Class 引用限定为某种类型，或该类型的任何子类，将通配符与 extends 关键字配合创建一个范围（这样可以提供编译器类型检查，不会到运行时才发现错误）。
Class<? extends Number> bounded = int.class
bounded = double.class;
bounded = Number.class类型转换前先做检查
在 Java 中，编译器允许自由地做向上转型的赋值操作，而不需要任何显式的转型操作。但如果不使用显式的类型转换，编译器不允许你执行向下转型赋值。除非告知编译器额外的信息，以确定你是某种特定类型。我们通过 instanceof 来实现告知编译器相关信息。
/* 判断 triangle 是否是 shape 的一个实例，如果不使用 instanceof，则会抛出 ClassCastException 异常 */
if(triangle instanceof Shape) {
triangle.draw();
}注意：只能将 instanceof 与命名类型进行比较，不能将它与 Class 对象作比较。
instanceof 和 Class 的等价性
instanceof 表明“你是这个类吗，你是这个类的基类吗？”，而用 == 比较 Class 则不会考虑继承，仅考虑是这个类型或者不是。
class Base {}
class Derived extends Base{}
public class InstanceofAndClass {
public static void main(String[] args) {
Base b = new Base();
Derived d = new Derived();
System.out.println((b instanceof Base));
System.out.println((d instanceof Base));
System.out.println((b.getClass() == Base.class));
/* 编译错误 Java:不可比较的类型 */
//System.out.println((d.getClass() == Base.class));
}
}反射：运行时类信息
如果我们不确定某个对象的类型，RTTI 能够告诉我们。但有一个限制：该对象的类型必须编译时已知，这样才能用 RTTI 来识别它。但假设程序运行中我们从磁盘中或者网络上获取到一个类名字，需要创建该类的对象或者获取该类的相关信息该怎么做呢？在 Java 中，我们通过反射来实现。
PS：反射是什么
我的理解反射是程序在运行时可以动态识别并控制自己的一种机制。
Class 类与 java.lang.reflect 类库一起对 Java 反射的概念进行了支持，类库包含 Field、Method 和 Constructor 类。这些类型的对象由 JVM 在运行时创建，表示未知的类里对应的字段、方法和构造器。我们可以通过 get() 和 set() 方法可以读取和修改与 Field 对象关联的字段，用 invoke() 方法调用与 Method 对象关联的方法。使用 Constructor 创建新的对象。
RTTI 和 反射的区别：
RTTI：编译器在编译时打开和检查 .class 文件。
反射： .class 文件在编译时是不可获取的，所以在运行是打开和检查 .class 文件。
类方法提取器
来看一个例子，运行时通过命令行参数来获得未知对象的所有类方法，并调用第一个 HelloWorld 方法。
package typeinfo;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
import java.util.regex.Pattern;
/**
* Created by wwh on 16-3-21.
*/
public class ShowMethods {
private static String usage =
"usage:\n" +
"ShowMethods qualified.class.name\n" +
"To Show all methods in class or:\n" +
"ShowMethods qualified.class.name word\n" +
"To search for methods involving 'word'";
private static Pattern p = Pattern.compile("\\w+\\.");
public static void HelloWorld() {
System.out.println("-------------------");
System.out.println("hello world");
System.out.println("-------------------");
}
public static void main(String [] args){
if(args.length < 1) {
System.out.println(usage);
System.exit(1);
}
int lines = 0;
try{
Class<?> c = Class.forName(args[0]);
Method[] methods = c.getMethods();
/* 调用 hello world 方法*/
Method methodHello = methods[0];
methodHello.invoke(null);
Constructor[] ctors = c.getConstructors();
for(Method method : methods) {
System.out.println(p.matcher(method.toString()).replaceAll(""));
}
for(Constructor ctor : ctors) {
System.out.println(p.matcher(ctor.toString()).replaceAll(""));
}
lines = methods.length + ctors.length;
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (InvocationTargetException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}命令行参数：> java ShowMethods typeinfo.ShowMethods
反射的威力
反射能做到许多平时我们做不到的事，来看看
假设我们现在有一个接口 A，B 来实现接口 A。通过 RTTI 发现 a 是被当作 B 来实现的。通过转型为 B，我们可以调用不在 A 中的方法。
public interface A {
void f();
}package typeinfo;
import typeinfo.interfacea.A;
/**
* Created by wwh on 16-3-21.
*/
class B implements A {
public void f() {}
public void g() {}
}
public class InterfaceViolation {
public static void main(String[] args) {
A a = new B();
a.f();
if(a instanceof B) {
B b = (B)a;
b.g();
}
}
}这样虽然可以访问 B 类的方法，但如果 A 和 B 是我们提供给别人使用（如上面的 IterfaceViolation）代码之间的耦合性就比较高了。
我们可以通过访问权限来限定其他人使用。
package typeinfo.packageaccess;
import typeinfo.interfacea.A;
/**
* Created by wwh on 16-3-21.
*/
class C implements A {
public void f() {
System.out.println("public C.f()");
}
public void g() {
System.out.println("public C.g()");
}
/* 包访问权限 */
void u() {
System.out.println("package C.u()");
}
/* protected 访问权限 */
protected void v() {
System.out.println("protected C.v()");
}
/* private 权限 */
private void w() {
System.out.println("private C.w()");
}
}
public class HiddenC {
public static A makeA() {
return new C();
}
}使用：
package typeinfo;
import typeinfo.interfacea.A;
import typeinfo.packageaccess.HiddenC;
/**
* Created by wwh on 16-3-21.
*/
public class HiddenImlementation {
public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException {
A a = HiddenC.makeA();
a.f();
System.out.println(a.getClass().getName());
//error:cannot find symbol 'C'
//if(a instanceof C) {
// C c = (C)a;
// c.g();
//}
}通过反射来访问
package typeinfo;
import typeinfo.interfacea.A;
import typeinfo.packageaccess.HiddenC;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
/**
* Created by wwh on 16-3-21.
*/
public class HiddenImlementation {
public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException {
A a = HiddenC.makeA();
a.f();
System.out.println(a.getClass().getName());
callHiddenMethod(a, "g");
callHiddenMethod(a, "u");
callHiddenMethod(a, "v");
callHiddenMethod(a, "w");
}
static void callHiddenMethod(Object a, String methodName) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {
Method g = a.getClass().getDeclaredMethod(methodName);
/* 取消访问控制
* 值为 true 则指示反射的对象在使用时应该取消 Java 语言访问检查。
* 值为 false 则指示反射的对象应该实施 Java 语言访问检查。 */
g.setAccessible(true);
g.invoke(a);
}
}
从上图我们可以看出通过反射可以调用所有方法，包括 private 方法！
如果是接口是私有内部类呢？
package typeinfo;
import typeinfo.interfacea.A;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
/**
* Created by wwh on 16-3-21.
*/
class InnnerA {
/* private 内部类 */
private static class C implements A {
public void f() {
System.out.println("public C.f()");
}
public void g() {
System.out.println("public C.g()");
}
void u(){
System.out.println("package C.u()");
}
protected void v() {
System.out.println("protected C.v()");
}
private void w() {
System.out.println("private C.w()");
}
}
public static A makeA() { return new C(); }
}
public class InnerImplementation {
public static void main(String [] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException {
A a = InnnerA.makeA();
a.f();
System.out.println(a.getClass().getName());
HiddenImlementation.callHiddenMethod(a, "g");
HiddenImlementation.callHiddenMethod(a, "u");
HiddenImlementation.callHiddenMethod(a, "v");
HiddenImlementation.callHiddenMethod(a, "w");
}
}
上图我们可以看出通过反射可以访问私有内部类的方法和成员。
如果是匿名类呢？
package typeinfo;
import typeinfo.interfacea.A;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
/**
* Created by wwh on 16-3-21.
*/
class AnonymousA {
public static A makeA() {
/* 匿名内部类 */
return new A() {
public void f() {
System.out.println("public C.f()");
}
public void g() {
System.out.println("public C.g()");
}
void u() {
System.out.println("void C.u()");
}
protected void v() {
System.out.println("protected C.v()");
}
private void w() {
System.out.println("private C.w()");
}
};
}
}
public class AnonymousImplementation {
public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException {
A a = AnonymousA.makeA();
a.f();
System.out.println(a.getClass().getName());
HiddenImlementation.callHiddenMethod(a, "g");
HiddenImlementation.callHiddenMethod(a, "u");
HiddenImlementation.callHiddenMethod(a, "v");
HiddenImlementation.callHiddenMethod(a, "w");
}
}
从上面的例子可以看出，无论是普通的类，还是 private 内部类，又或是匿名内部类，反射都可以访问其类的内部成员，包括 private 成员。
C++ RTTI
相对与 Java，C++对动态支持就弱多了，但也不一定是坏处，静态检查代码是值得的。
C++ 通过两种方式来支持 RTTI，如下
1.typeid：返回指针或引用所指对象的实际类型
2.dynamic_cast：将基类类型的指针或引用安全的转换为派生类的指针或引用。
对于带虚函数的类，在运行时执行RTTI操作符，返回动态类型信息；对于其他类型，在编译时执行RTTI，返回静态类型信息。
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