Java Reflection:神秘的Java反射机制了解一下?

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原文链接: blog.csdn.net

前言

  • Java中,反射机制(Reflection)非常重要,但对于很多开发者来说,这并不容易理解,甚至觉得有点神秘
  • 今天,我将献上一份 Java反射机制的介绍 & 实战攻略,希望你们会喜欢。

目录

Java反射机制


1. 简介

  • 定义:Java语言中 一种 动态(运行时)访问、检测 & 修改它本身的能力

  • 作用:动态(运行时)获取类的完整结构信息 & 调用对象的方法

    1. 类的结构信息包括:变量、方法等
    2. 正常情况下,Java类在编译前,就已经被加载到JVM中;而反射机制使得程序运行时还可以动态地去操作类的变量、方法等信息

2. 特点

2.1 优点

灵活性高。因为反射属于动态编译,即只有到运行时才动态创建 &获取对象实例。

编译方式说明:
1. 静态编译:在编译时确定类型 & 绑定对象。如常见的使用new关键字创建对象
2. 动态编译:运行时确定类型 & 绑定对象。动态编译体现了Java的灵活性、多态特性 & 降低类之间的藕合性

2.2 缺点

  • 执行效率低
    因为反射的操作 主要通过JVM执行,所以时间成本会 高于 直接执行相同操作

    1. 因为接口的通用性,Java的invoke方法是传object和object[]数组的。基本类型参数需要装箱和拆箱,产生大量额外的对象和内存开销,频繁促发GC。
    2. 编译器难以对动态调用的代码提前做优化,比如方法内联。
    3. 反射需要按名检索类和方法,有一定的时间开销。
  • 容易破坏类结构 因为反射操作饶过了源码,容易干扰类原有的内部逻辑


3. 应用场景

  • 动态获取 类文件结构信息(如变量、方法等) & 调用对象的方法
  • 常用的需求场景有:动态代理、工厂模式优化、Java JDBC数据库操作等

    下文会用实际例子详细讲解


4. 具体使用

4.1 Java反射机制提供的功能

示意图

4.2 实现手段

  • 反射机制的实现 主要通过 操作java.lang.Class
  • 下面将主要讲解 java.lang.Class
4.2.1 java.lang.Class 类
  • 定义:java.lang.Class类是反射机制的基础
  • 作用:存放着对应类型对象的 运行时信息

    1. Java程序运行时,Java虚拟机为所有类型维护一个java.lang.Class对象
    2. Class对象存放着所有关于该对象的 运行时信息
    3. 泛型形式为Class<T>
  • 每种类型的Class对象只有1个 = 地址只有1个

// 对于2个String类型对象,它们的Class对象相同
Class c1 = "Carson".getClass();
Class c2 =  Class.forName("java.lang.String");
// 用==运算符实现两个类对象地址的比较
System.out.println(c1 ==c2);
// 输出结果:true
  • Java反射机制的实现除了依靠Java.lang.Class类,还需要依靠:Constructor类、Field类、Method类,分别作用于类的各个组成部分:

示意图

4.3 使用步骤

在使用Java反射机制时,主要步骤包括:
1. 获取 目标类型的Class对象
2. 通过 Class 对象分别获取Constructor类对象、Method类对象 & Field 类对象
3. 通过 Constructor类对象、Method类对象 & Field类对象分别获取类的构造函数、方法&属性的具体信息,并进行后续操作

下面,我将详细讲解每个步骤中的使用方法。

步骤1:获取 目标类型的Class对象

// 获取 目标类型的`Class`对象的方式主要有4种

<-- 方式1:Object.getClass() -->
    // Object类中的getClass()返回一个Class类型的实例 
    Boolean carson = true; 
    Class<?> classType = carson.getClass(); 
    System.out.println(classType);
    // 输出结果:class java.lang.Boolean  

<-- 方式2:T.class 语法    -->
    // T = 任意Java类型
    Class<?> classType = Boolean.class; 
    System.out.println(classType);
    // 输出结果:class java.lang.Boolean  
    // 注:Class对象表示的是一个类型,而这个类型未必一定是类
    // 如,int不是类,但int.class是一个Class类型的对象

<-- 方式3:static method Class.forName   -->
    Class<?> classType = Class.forName("java.lang.Boolean"); 
    // 使用时应提供异常处理器
    System.out.println(classType);
    // 输出结果:class java.lang.Boolean  

<-- 方式4:TYPE语法  -->

    Class<?> classType = Boolean.TYPE; 
    System.out.println(classType);
    // 输出结果:boolean  

此处额外讲一下java.lang.reflect.Type

  • java.lang.reflect.TypeJava中所有类型的父接口
  • 这些类型包括:

示意图

  • 之间的关系如下

示意图

步骤2:通过 Class 对象分别获取Constructor类对象、Method类对象 & Field 类对象

// 即以下方法都属于`Class` 类的方法。

<-- 1. 获取类的构造函数(传入构造函数的参数类型)->>
  // a. 获取指定的构造函数 (公共 / 继承)
  Constructor<T> getConstructor(Class<?>... parameterTypes)
  // b. 获取所有的构造函数(公共 / 继承) 
  Constructor<?>[] getConstructors(); 
  // c. 获取指定的构造函数 ( 不包括继承)
  Constructor<T> getDeclaredConstructor(Class<?>... parameterTypes) 
  // d. 获取所有的构造函数( 不包括继承)
  Constructor<?>[] getDeclaredConstructors(); 
// 最终都是获得一个Constructor类对象

// 特别注意:
  // 1. 不带 "Declared"的方法支持取出包括继承、公有(Public) & 不包括有(Private)的构造函数
  // 2. 带 "Declared"的方法是支持取出包括公共(Public)、保护(Protected)、默认(包)访问和私有(Private)的构造方法,但不包括继承的构造函数
  // 下面同理

<--  2. 获取类的属性(传入属性名) -->
  // a. 获取指定的属性(公共 / 继承)
   Field getField(String name) ;
  // b. 获取所有的属性(公共 / 继承)
   Field[] getFields() ;
  // c. 获取指定的所有属性 (不包括继承)
   Field getDeclaredField(String name) ;
  // d. 获取所有的所有属性 (不包括继承)
   Field[] getDeclaredFields() ;
// 最终都是获得一个Field类对象

<-- 3. 获取类的方法(传入方法名 & 参数类型)-->
  // a. 获取指定的方法(公共 / 继承)
    Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes) ;
  // b. 获取所有的方法(公共 / 继承)
   Method[] getMethods() ;
  // c. 获取指定的方法 ( 不包括继承)
   Method getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes) ;
  // d. 获取所有的方法( 不包括继承)
   Method[] getDeclaredMethods() ;
// 最终都是获得一个Method类对象

<-- 4. Class类的其他常用方法 -->
getSuperclass(); 
// 返回父类

String getName(); 
// 作用:返回完整的类名(含包名,如java.lang.String ) 

Object newInstance(); 
// 作用:快速地创建一个类的实例
// 具体过程:调用默认构造器(若该类无默认构造器,则抛出异常 
// 注:若需要为构造器提供参数需使用java.lang.reflect.Constructor中的newInstance()

步骤3:通过 Constructor类对象、Method类对象 & Field类对象分别获取类的构造函数、方法 & 属性的具体信息 & 进行操作

// 即以下方法都分别属于`Constructor`类、`Method`类 & `Field`类的方法。

<-- 1. 通过Constructor 类对象获取类构造函数信息 -->
  String getName();// 获取构造器名
  Class getDeclaringClass();// 获取一个用于描述类中定义的构造器的Class对象
  int getModifiers();// 返回整型数值,用不同的位开关描述访问修饰符的使用状况
  Class[] getExceptionTypes();// 获取描述方法抛出的异常类型的Class对象数组
  Class[] getParameterTypes();// 获取一个用于描述参数类型的Class对象数组

<-- 2. 通过Field类对象获取类属性信息 -->
  String getName();// 返回属性的名称
  Class getDeclaringClass(); // 获取属性类型的Class类型对象
  Class getType();// 获取属性类型的Class类型对象
  int getModifiers(); // 返回整型数值,用不同的位开关描述访问修饰符的使用状况
  Object get(Object obj) ;// 返回指定对象上 此属性的值
  void set(Object obj, Object value) // 设置 指定对象上此属性的值为value

<-- 3. 通过Method 类对象获取类方法信息 -->
  String getName();// 获取方法名
  Class getDeclaringClass();// 获取方法的Class对象 
  int getModifiers();// 返回整型数值,用不同的位开关描述访问修饰符的使用状况
  Class[] getExceptionTypes();// 获取用于描述方法抛出的异常类型的Class对象数组
  Class[] getParameterTypes();// 获取一个用于描述参数类型的Class对象数组

<--额外:java.lang.reflect.Modifier类 -->
// 作用:获取访问修饰符

static String toString(int modifiers)   
// 获取对应modifiers位设置的修饰符的字符串表示

static boolean isXXX(int modifiers) 
// 检测方法名中对应的修饰符在modifiers中的值

至此,关于Java反射机制的步骤说明已经讲解完毕。


4.4 特别注意:访问权限问题

  • 背景
    反射机制的默认行为受限于Java的访问控制

    如,无法访问( private )私有的方法、字段

  • 冲突 Java安全机制只允许查看任意对象有哪些域,而不允许读它们的值

    若强制读取,将抛出异常

  • 解决方案
    脱离Java程序中安全管理器的控制、屏蔽Java语言的访问检查,从而脱离访问控制

  • 具体实现手段:使用Field类Method类 & Constructor类对象的setAccessible()

void setAccessible(boolean flag)    
// 作用:为反射对象设置可访问标志
// 规则:flag = true时 ,表示已屏蔽Java语言的访问检查,使得可以访问 & 修改对象的私有属性

boolean isAccessible()  
// 返回反射对象的可访问标志的值

static void setAccessible(AccessibleObject[] array, boolean flag)   
// 设置对象数组可访问标志

5. 实例应用讲解

5.1 基础应用讲解

实例1:利用反射获取类的属性 & 赋值
<-- 测试类定义-->
public class Student {

    public Student() {
        System.out.println("创建了一个Student实例");
    }
    private String name;
}

<-- 利用反射获取属性 & 赋值 -->
        // 1. 获取Student类的Class对象
        Class studentClass = Student.class;

        // 2. 通过Class对象创建Student类的对象
        Object mStudent = studentClass.newInstance();

        // 3. 通过Class对象获取Student类的name属性
        Field f = studentClass.getDeclaredField("name");

        // 4. 设置私有访问权限
        f.setAccessible(true);

        // 5. 对新创建的Student对象设置name值
        f.set(mStudent, "Carson_Ho");

        // 6. 获取新创建Student对象的的name属性 & 输出
        System.out.println(f.get(mStudent));
  • 测试结果

image.png

实例2:利用反射调用类的构造函数

<-- 测试类定义-->

public class Student {

    // 无参构造函数
    public Student() {
        System.out.println("调用了无参构造函数");
    }

    // 有参构造函数
    public Student(String str) {
        System.out.println("调用了有参构造函数");
    }

    private String name;
}

<-- 利用反射调用构造函数 -->
        // 1. 获取Student类的Class对象
        Class studentClass studentClass = Student.class;

        // 2.1 通过Class对象获取Constructor类对象,从而调用无参构造方法
        // 注:构造函数的调用实际上是在newInstance(),而不是在getConstructor()中调用
        Object mObj1 = studentClass.getConstructor().newInstance();

        // 2.2 通过Class对象获取Constructor类对象(传入参数类型),从而调用有参构造方法
        Object mObj2 = studentClass.getConstructor(String.class).newInstance("Carson");
  • 测试结果

示意图

实例3:利用反射调用类对象的方法
<-- 测试类定义-->
public class Student {

    public Student() {
        System.out.println("创建了一个Student实例");
    }

    // 无参数方法
    public void setName1 (){
        System.out.println("调用了无参方法:setName1()");
    }

    // 有参数方法
    public void setName2 (String str){
        System.out.println("调用了有参方法setName2(String str):" + str);
    }
}

<-- 利用反射调用方法 -->
        // 1. 获取Student类的Class对象
        Class studentClass = Student.class;

        // 2. 通过Class对象创建Student类的对象
        Object  mStudent = studentClass.newInstance();

        // 3.1 通过Class对象获取方法setName1()的Method对象:需传入方法名
        // 因为该方法 = 无参,所以不需要传入参数
        Method  msetName1 = studentClass.getMethod("setName1");

        // 通过Method对象调用setName1():需传入创建的实例
        msetName1.invoke(mStudent);

        // 3.2 通过Class对象获取方法setName2()的Method对象:需传入方法名 & 参数类型
        Method msetName2 = studentClass.getMethod("setName2",String.class);

       // 通过Method对象调用setName2():需传入创建的实例 & 参数值
        msetName2.invoke(mStudent,"Carson_Ho");

  • 测试结果

示意图


5.2 常见需求场景讲解

实例1:工厂模式优化

  • 背景
    采用简单工厂模式
  • 冲突
    1. 操作成本高:每增加一个接口的子类,必须修改工厂类的逻辑
    2. 系统复杂性提高:每增加一个接口的子类,都必须向工厂类添加逻辑

关于 简单工厂模式的介绍 & 使用 请看文章:简单工厂模式(SimpleFactoryPattern)- 最易懂的设计模式解析

  • 解决方案
    采用反射机制: 通过 传入子类名称 & 动态创建子类实例,从而使得在增加产品接口子类的情况下,也不需要修改工厂类的逻辑

  • 实例演示

步骤1. 创建抽象产品类的公共接口

Product.java

abstract class Product{
    public abstract void show();
}

步骤2. 创建具体产品类(继承抽象产品类),定义生产的具体产品

<-- 具体产品类A:ProductA.java -->
public class  ProductA extends  Product{

    @Override
    public void show() {
        System.out.println("生产出了产品A");
    }
}

<-- 具体产品类B:ProductB.java -->
public class  ProductB extends  Product{

    @Override
    public void show() {
        System.out.println("生产出了产品B");
    }
}

步骤3. 创建工厂类

Factory.java

public class Factory {

    // 定义方法:通过反射动态创建产品类实例
    public static Product getInstance(String ClassName) {

        Product concreteProduct = null;

        try {

            // 1. 根据 传入的产品类名 获取 产品类类型的Class对象
            Class product_Class = Class.forName(ClassName);
            // 2. 通过Class对象动态创建该产品类的实例
            concreteProduct = (Product) product_Class.newInstance();

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 3. 返回该产品类实例
        return concreteProduct;
    }

}

步骤4:外界通过调用工厂类的静态方法(反射原理),传入不同参数从而创建不同具体产品类的实例

TestReflect.java

public class TestReflect {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

       // 1. 通过调用工厂类的静态方法(反射原理),从而动态创建产品类实例
        // 需传入完整的类名 & 包名
        Product concreteProduct = Factory.getInstance("scut.carson_ho.reflection_factory.ProductA");

        // 2. 调用该产品类对象的方法,从而生产产品
        concreteProduct.show();
    }
}
  • 展示结果

示意图

如此一来,通过采用反射机制(通过 传入子类名称 & 动态创建子类实例),从而使得在增加产品接口子类的情况下,也不需要修改工厂类的逻辑 & 增加系统复杂度

实例2:应用了反射机制的工厂模式再次优化

  • 背景
    在上述方案中,通过调用工厂类的静态方法(反射原理),从而动态创建产品类实例(该过程中:需传入完整的类名 & 包名)
  • 冲突
    开发者 无法提前预知 接口中的子类类型 & 完整类名

  • 解决方案
    通过 属性文件的形式( Properties 配置所要的子类信息,在使用时直接读取属性配置文件从而获取子类信息(完整类名)

  • 具体实现

步骤1:创建抽象产品类的公共接口

Product.java

abstract class Product{
    public abstract void show();
}

步骤2. 创建具体产品类(继承抽象产品类),定义生产的具体产品

<-- 具体产品类A:ProductA.java -->
public class  ProductA extends  Product{

    @Override
    public void show() {
        System.out.println("生产出了产品A");
    }
}

<-- 具体产品类B:ProductB.java -->
public class  ProductB extends  Product{

    @Override
    public void show() {
        System.out.println("生产出了产品B");
    }
}

步骤3. 创建工厂类

Factory.java

public class Factory {

    // 定义方法:通过反射动态创建产品类实例
    public static Product getInstance(String ClassName) {

        Product concreteProduct = null;

        try {

            // 1. 根据 传入的产品类名 获取 产品类类型的Class对象
            Class product_Class = Class.forName(ClassName);
            // 2. 通过Class对象动态创建该产品类的实例
            concreteProduct = (Product) product_Class.newInstance();

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 3. 返回该产品类实例
        return concreteProduct;
    }

}

步骤4:创建属性配置文件
Product.properties

// 写入抽象产品接口类的子类信息(完整类名)
ProductA = scut.carson_ho.reflection_factory.ProductA
ProductB = scut.carson_ho.reflection_factory.ProductB

步骤5:将属性配置文件 放到src/main/assets文件夹中

若没assets文件夹,则自行创建

步骤6:在动态创建产品类对象时,动态读取属性配置文件从而获取子类完整类名
TestReflect.java

public class TestReflect {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // 1. 读取属性配置文件
        Properties pro = new Properties() ;
        pro.load(this.getAssets().open("Product.properties"));

        // 2. 获取属性配置文件中的产品类名
        String Classname = pro.getProperty("ProductA");

        // 3. 动态生成产品类实例
        Product concreteProduct = Factory.getInstance(Classname);

        // 4. 调用该产品类对象的方法,从而生产产品
        concreteProduct.show();

}
  • 测试结果

示意图


实例3:动态代理

通过反射机制实现动态代理,具体请看文章:设计模式:这是一份全面 & 清晰的动态代理模式(Proxy Pattern)学习指南


6. 总结

  • 本文全面讲解了Java反射机制(Reflection)的相关知识,相信您对Java反射机制已经非常了解

  • 下面我将继续对 Android中的知识进行深入讲解 ,有兴趣可以继续关注Carson_Ho的安卓开发笔记


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