Java 反射机制

小火山灰
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反射机制（难到爆，多看看）

​ 对于虚拟机已经加载过的，通过类名可以寻找到这个类的具体信息。相当于人看到钱后，脑子里会有人民币的信息和样子等等。

动态语言和静态语言

动态语言

  • 是一类在运行时可以改变其结构的语言:例如新的函数、对象、甚至代码可以被引进，已有的函数可以被删除或是其他结构上的变化。通俗点说就是在运行时代码可以根据某些条件改变自身结构。
  • 主要动态语言: Object-C、 C#、 JavaScript、PHP、Python等。

静态语言

  • 与动态语言相对应的，运行时结构不可变的语言就是静态语言。如Java、 C、 C++。
  • Java不是动态语言，但Java可以称之为“准动态语言”。即Java有一定的动态性，我们可以利用反射机制获得类似动态语言的特性。 Java的动态性让编程的时候更加灵活!

Java Reflection

​ Reflection（反射）是被视为动态语言的关键，反射机制允许程序在执行期借助于 Reflection API取得任何类的内部信息，并能直接操作任意对象的内部属性及方法。

​ 功能加载完类之后，在堆内存的方法区中就产生了一个Class类型的对象(一个类只有一个Class对象)，这个对象就包含了完整的类的结构信息。我们可以通过这个对象看到类的结构。这个对象就像一面镜子，透过这个镜子看到类的结构，所以，我们形象的称之为：反射。

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Java反射机制提供的功能

  • 在运行时判断任意一个对象所属的类
  • 在运行时构造任意一个类的对象
  • 在运行时判断任意一个类所具有的成员变量和方法
  • 在运行时调用任意一个对象的成员变量和方法
  • 可以处理注解
  • 生成动态代理

Java反射优点和缺点

优点

  • 可以实现动态创建对象和编译，体现出很大的灵活性

缺点

  • 对性能有影响。使用反射基本上是一种解释操作，我们可以告诉JVM，我们希望做什么，并且它满足我们的要求。这类操作总是慢于直接执行相同的操作

Class类

​ 对象照镜子后可以得到的信息:某个类的属性、方法和构造器、某个类到底实现了哪些接口。

​ 对于每个类而言，JRE 都为其保留一个不变的 Class 类型的对象。一个 Class 对象包含了特定某个结构(class/interface/enum/annotation/primitive type/void/[])的有关信息。

package com.volcano.reflection;

import java.lang.annotation.ElementType;

public class TestReflection2 {
    public static void main(String[] args) {
        Class a = Object.class;//类
        Class b = Runnable.class;//接口
        Class c = String[].class;//数组，只要元素类型和维度一样，都是一个class
        Class d = int[][].class;//二维数组
        Class e = Override.class;//注解
        Class f = ElementType.class;//枚举类型
        Class g = Integer.class;//基本数据类型
        Class h = void.class;//void
        Class i = Class.class;//Class

        System.out.println(a);
        System.out.println(b);
        System.out.println(c);
        System.out.println(d);
        System.out.println(e);
        System.out.println(f);
        System.out.println(g);
        System.out.println(h);
        System.out.println(i);
    }
}

class java.lang.Object
interface java.lang.Runnable
class [Ljava.lang.String;
class [[I
interface java.lang.Override
class java.lang.annotation.ElementType
class java.lang.Integer
void
class java.lang.Class
  • Class 本身也是一个类
  • Class 对象只能由系统建立对象
  • 一个加载的类在JVM中只会有一个Class实例
  • 一个Class对象对应的是一个加载到JVM中的一个.class文件
  • 每个类的实例都会记得自己是由哪个 Class 实例所生成
  • 通过Class可以完整地得到一个类中的所有被加载的结构
  • Class类是Reflection的根源，针对任何你想动态加载、运行的类，唯有先获得相应的Class对象

在 Object类中定义了以下的方法，此方法将被所有子类继承： public final Class getClass(); 以上的方法返回值的类型是一个Class类，此类是Java反射的源头，实际上所谓反射从程序的运行结果来看也很好理解，即：可以通过对象反射求出类的名称。

Person p = new Person();
Class cls = p.getClass();//包含Person类的所有信息

常用方法

方法名功能
static Class forName(String name)根据类的全类名（包名+类名）获取Class对象
Object newInstance()调用无参构造函数，创建返回Class对象的一个实例
String getName()获取Class对象所表示的全类名（类、接口、数组类、void）
String getSimpleName()同上，但是只是类名，无前缀包名
Class[] getInterfaces()获取当前Class对象的接口
ClassLoader getClassLoader()获取类的类加载器
Class getSuperClass()获取当前Class对象的父类的Class对象
Constructor[] getConstructors()获取当前Class对象的构造器
Constructor getConstructor(Class ...paramTypes)获取当前Class对象的指定参数类型构造器
Field[] getFields()获取当前Class对象的所有的Public属性
Field getField(String name)获取当前Class对象指定的Public属性
Field[] getDeclaredFields()获取当前Class对象的所有的属性
Method[] getMethods()获取当前Class对象的所有的方法（包括继承的）
Method[] getDeclaredMethods()获取当前Class对象的所有的方法（仅自身）
Method getMethod(String name, Class ... paramTypes)获取当前Class对象的对应的方法
getMethod("setName",String.class);

创建class方法

  • 若已知具体的类，通过类的class属性创建，最安全可靠高效

    Class cla = String.class;

  • 若已知某个类的实例，通过实例的getClass()方法

    Class clb = p.getClass();

  • 已知一个类的全类名，通过Class的静态方法forName()，可能会抛出ClassNotFoundException(最多使用)

    Class clc = Class.forName("包名.Person");//需要类的全路径

  • 内置基本数据类型可以直接用类名.Type

    Class cld = Integer.TYPE;//结果：int

  • 通过ClassLoader创建(不做要求)

    ClassLoader cl = this.getClass().getClassLoader();
Class c4 = cl.loadClass("类的全路径");

类加载器

  • 类加载器的作用：将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些静态数据转换成方法区的运行时数据结构，然后在堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区中类数据的访问入口
  • 类缓存：标准的JavaSE类加载器可以按要求查找类，但一旦某个类被加载到类加载器中，它将维持加载（缓存）一段时间。不过JVM垃圾回收机制可以回收这些Class对象

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类加载器的分类

  • 引导类加载器（BootstrapClassLoader）
    • 用C++编写的，是JVM自带的类加载器，负责Java平台核心库，用来加载核心类库。构造ExtClassLoader和AppClassLoader，该加载器无法直接获取
    • Java平台核心库：jre\lib\rt.jar，用压缩软件打开，里面的类就是我们平时要学的。这个jre是公共jre，并非jdk目录下的专用jre
  • 拓展类加载器（ExtClassLoader）
    • 负责jre\lib\ext目录下的jar包或-D java.ext.dirs指定目录下的jar包装入工作库
    • 此处jre也是公共jre
  • 系统类加载器（AppClassLoader）
    • 负责java -classpath或-D java.class.path所指的目录下的类与jar包装入工作，是最常用的加载器

  • 自定义加载器（CustomClassLoader）

package com.volcano.reflection;

public class TestReflection4 {
    public static void main(String[] args) {
        //获取系统类加载器
        ClassLoader classLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(classLoader);
        //获取拓展类加载器
        classLoader = classLoader.getParent();
        System.out.println(classLoader);
        //获取引导类加载器(是直接无法获取的)
        classLoader = classLoader.getParent();
        System.out.println(classLoader);

        //测试当前类是由哪个类加载器加载的——引导类加载器
        System.out.println(TestReflection4.class.getClassLoader());
        //测试JDK内置的类是由哪个类加载器加载的——系统类加载器null
        System.out.println(Object.class.getClassLoader());

        //如何获得系统类加载器的加载的类的路径
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
        /*之前用过的commons-io和自己写的类也在其中
        * E:\JDK\jre\lib\charsets.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\deploy.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\ext\cldrdata.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\ext\dnsns.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\ext\jaccess.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\ext\jfxrt.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\ext\localedata.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\ext\nashorn
        * .jar;E:\JDK\jre\lib\ext\sunec.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\ext\sunpkcs11
        * .jar;E:\JDK\jre\lib\ext\zipfs.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\javaws.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\jce.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\jfr.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\jfxswt.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\jsse.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\management-agent.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\plugin.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\resources.jar;
        * E:\JDK\jre\lib\rt.jar;
        * F:\云\Code\JavaSE\out\production\基础语法;
        * F:\云\Code\JavaSE\基础语法\src\com\lib\commons-io-2.6.jar;
        * D:\IntelliJ IDEA 2018.2.4\lib\idea_rt.jar

         * */
    }
}

双亲委派机制

  1. 防止重复加载同一个.class。通过委托去向上面问一问，加载过了，就不用再加载一遍。保证数据安全。
  2. 保证核心.class不能被篡改。通过委托方式，不会去篡改核心.class，即使篡改也不会去加载，即使加载也不会是同一个.class对象了。不同的加载器加载同一个.class也不是同一个Class对象。这样保证了Class执行安全。

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操作

  • 获取父类和实现的接口

    Class cls = Class.forName("package.Student");
Class parent = cls.getSuperClass();//
System.out.println(cls.getName());

Class[] infas = cls.getInterfaces();//
for(Class c : infas){
  System.out.println(c.getName());
}

  • 获取构造器

    import java.lang.reflection.Constructor;
Constructor[] cons1 = cls.getConstructors();//只返回公有构造函数
Constructor[] cons2 = cls.getDeclaredConstructors();//返回全部(公+私)构造函数
for(Constructor c : cons2){
  System.out.println(c.getName());//返回构造函数名称
  System.out.println(c.getModifiers());//返回构造函数的修饰符 类型int
  //1为public 2为private
  Class params = c.getParameterTypes();//获取构造函数参数类型
  for(Class p in params){
    System.out.println(p.getName());
  }
}

  • 通过反射创建对象

    Student stu = (Student)cls.newInstance();//相当于调用Student类的无参共有构造

Constructor c = cls.getConstructor(String.class);//获取Student类参数为一个且类型String的公有构造
Student stu2 = c.newInstance();

//通过反射机制可以强制调用私有构造
Constructor c2 = cls.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
//获取Student类参数为2个类型String和int的私有构造
c2.setAccessible(true);//必须调用，解除私有封装
Student stu3 = c2.newInstance();

  • 获取方法

    import import java.lang.reflection.Method;
Method[] ms = cls.getMethods();//获取类的所有公有方法
Method[] ms = cls.getDeclaredMethods();//获取类的所有方法
for(Method m : ms){
  System.out.println(m.getName());//方法名
  System.out.println(m.getReturnType());//返回值类型
  System.out.println(m.getModifiers());//返回修饰符
  Class[] params = m.getParameterTypes();
	if(params != null && params.length > 0){
    for(Class p in params){
      System.out.println(p.getName());
    }
  }
}

  • 获取属性

    import import java.lang.reflection.Field;
Field[] fs = cls.getFields();//返回公有
Field[] fs = cls.getDeclaredFields();//返回全部
for(Field f : fs){
  System.out.println(f.getType());//返回属性类型
  //返回修饰符和属性名同之前内容的方法
}

  • 获取类所在的包

    import import java.lang.Package;
Package pg = cls.getPackage();
System.out.println(pg.getName());

  • 调用指定方法

    Method m = cls.getMethod("setInfo",String.class,String.class);
//获取方法名为setInfo且参数为(String,String)的公有方法
m.invoke(obj,"asd","das");
//obj为需要调用该方法的实例，可以用之前通过反射创建的对象
//调用私有方法只需把getMethod改为getDeclaredMethod，调用前也要解除封装 m.setAccessible(true)

//调用有返回值的方法
String str = (String)m.invoke();

  • 调用指定属性

    Field f = cls.getField("school");//或者属性school
f.set(stu,"第一中学");//给stu对象 设置school属性
String school = (String)f.get(stu);

//调用私有方法只需把getField改为getDeclaredField，调用前也要解除封装 m.setAccessible(true)

Java内存分析

image.png

​ PS：方法区是一个特殊的堆。

类的加载与ClassLoader的理解

  1. 加载：将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些静态数据转换成方法区的运行时数据结构，然后生成一个代表这个类的java.lang.Class对象
  2. 链接：将Java类的二进制代码合并到JVM的运行状态之中的过程
    1. 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，没有安全方面的问题
    2. 准备：正式为类变量（static）分配内存并设置类变量默认初始值的阶段，这些内存都将在方法区中进行分配
    3. 解析：虚拟机常量池内的符号引用（常量名）替换为直接引用（地址）的过程
  3. 初始化：
    1. 执行类构造器<clinit>()方法的过程。类构造器<clinit>()方法是由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并产生的。（类构造器是构造类信息的，不是构造该类对象的构造器）
    2. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行初始化，则需要先触发其父类的初始化
    3. 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确加锁和同步

什么时候会发生类的初始化

  • 类的主动引用（一定会发生类的初始化）
    • 当虚拟机启动，先初始化main方法所在的类
    • 实例化一个类的对象
    • 调用类的静态成员（除了final常量）和静态方法
    • 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用
    • 当初始化一个类，如果其父类没有被初始化，则先会初始化它的父类
  • 类的被动引用（不会发生类的初始化）
    • 当访问一个静态域时，只有真正声明这个域的类才会被初始化。如：当通过子类引用父类的静态变量，不会导致子类初始化
    • 通过数组定义类引用，不会触发此类的初始化
    • 引用常量不会触发此类的初始化（常量在链接阶段就存入调用类的常量池中了）
package com.volcano.reflection;
//什么时候会发生类的初始化，除了第一个注释一直开着，其他都要独立打开测试，否则不准确
public class TestReflection3 {
    static {
        //1.虚拟机启动就会最先初始化main方法所在的类 会
        System.out.println("main方法被加载");
    }
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        //2.实例化一个对象 会
        //new Father();
        //3.调用类的静态成员（除了final常量）和静态方法 会
        //System.out.println(Son.a);
        //4.使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用 会
        //Class cls = Class.forName("com.volcano.reflection.Father");
        //5.当初始化一个类，如果其父类没有被初始化，则先会初始化它的父类 会
        //new Son();

        //6.当访问一个静态域时，只有真正声明这个域的类才会被初始化 不会
        //System.out.println(Father.a);//两个都是只加载Father
        //System.out.println(Son.a);//因为a是Father的静态成员
        //7.通过数组定义类引用，不会触发此类的初始化 不会
        //Father[] fathers = new Father[10];
        //8.引用常量不会触发此类的初始化 不会
        //System.out.println(Father.B);

    }
}
class Father{
    static {
        System.out.println("Father被加载");
    }
    static int a=100;
    static final int B = 300;
}
class Son extends Father{
    static {
        System.out.println("Son被加载");
    }
    static int c=200;

}

研究及应用

反射相关的主要API：

  • java.lang.class：代表一个类
  • java.lang.reflect.Method：代表类的方法
  • java.lang.reflect.Field：代表类的成员变量
  • java.lang.reflect.Constructor：代表类的构造方法
package com.volcano.reflection;

public class TestReflection1 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        //通过反射获取类的Class对象，需要抛出异常
        Class cla = Class.forName("com.volcano.reflection.User");
        Class clb = Class.forName("com.volcano.reflection.User");
        Class clc = Class.forName("com.volcano.reflection.User");
        //想同的哈希值表示一个类只有一个Class对象
        //一个类被加载之后，类的整个结构都被封装在Class对象中
        System.out.println(cla.hashCode());
        System.out.println(clb.hashCode());
        System.out.println(clc.hashCode());
    }
}
//实体类，可以不用看
class User{
    private int id;
    private String name;
    private int age;

    public User() {
    }

    public User(int id, String name, int age) {
        this.id = id;
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public int getId() {
        return id;
    }

    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "id=" + id +
                ", name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

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应用

​ 得到某个类的Class对象后可以：

  • 创建类的对象，通过Class对象的newInstance()方法

    • 条件1：该类必须有一个无参构造方法
    • 条件2：类的构造方法访问权限足够
    • 若没有无参构造方法：
      1. 通过Class类的getDeclaredConstructor(Class ...parameterTypes)取得本类的指定形参的构造方法
      2. 向构造方法的形参中传递一个对象数组进去，里面包含了构造器所需的各个参数
      3. 通过Constructor实例化对象
    package com.volcano.reflection;

import java.lang.reflect.InvocationTargetException;

public class TestReflection5 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException {
        //获得Class对象，此例子的User类源码在上面
        Class aClass = Class.forName("com.volcano.reflection.User");
        //实例化一个对象，本质上调用了无参构造器
        User user = (User) aClass.newInstance();
        System.out.println(user);
        //若没有无参构造器，或需要使用有参构造器
        User user2 = (User) aClass.getConstructor(int.class,String.class,int.class).newInstance(1,"a",2);
        System.out.println(user2);

    }
}


    User{id=0, name='null', age=0}
User{id=1, name='a', age=2}

  • 通过反射获取方法和属性并使用

    package com.volcano.reflection;

import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class TestReflection6 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchFieldException {
        Class aClass = Class.forName("com.volcano.reflection.User");
        User user = (User) aClass.newInstance();
        //指定方法名和参数获取方法
        Method setName = aClass.getMethod("setName", String.class);
        //invoke(对象,方法参数)，有无返回值取决于反射获取的方法本身
        setName.invoke(user,"candashuai");
        System.out.println(user.getName());

        User user2 = (User) aClass.newInstance();
        //获取name属性
        Field name = aClass.getDeclaredField("name");
        //name属性为私有，直接修改会报错，方法在若是私有，在invoke之前也一样操作
        //setAccessible(true)关闭程序的安全监测
        name.setAccessible(true);
        name.set(user2,"volcano");
        System.out.println(user2.getName());
    }
}


    candashuai
volcano

  • setAccessible(boolean)

    • Method、Field、Constructor对象都有setAccessible()方法
    • setAccessible()作用是启动和禁用访问安全检查的开关
    • 参数值为true则指,反射的对象在使用时应该取消Java语言访问检查。
      • 提高反射的效率。如果代码中必须用反射，而该句代码需要频繁的被调用，那么请设置为true
      • 使得原本无法访问的私有成员也可以访问
    • 参数值为false则指示反射的对象应该实施Java语言访问检查

  • 反射操作泛型（==完全不懂==）

    • Java采用泛型擦除的机制来引入泛型， Java中的泛型仅仅是给编译器javac使用的，确保数据的安全性和免去强制类型转换问题，但是，一旦编译完成，所有和泛型有关的类型全部擦除
    • 为了通过反射操作这些类型， Java新增了ParameterizedType，GenericArrayType，TypeVariable和WildcardType几种类型来代表不能被归一到Class类中的类型但是又和原始类型齐名的类型
      • ParameterizedType：表示一种参数化类型，比如Collection<String>
      • GenericArrayType：表示一种元素类型是参数化类型或者类型变量的数组类型
      • TypeVariable：是各种类型变量的公共父接口
      • WildcardType：代表一种通配符类型表达式

  • 反射获取注解信息

package com.volcano.reflection;

import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.ParameterizedType;
import java.lang.reflect.Type;
import java.util.List;
import java.util.Map;

public class TestReflection7 {
    //声明泛型参数方法
    public void test1(Map<String,Integer> map, List<User> users){
        System.out.println("...");
    }
    public List<String> test2(){
        return null;
    }
    //声明泛型返回值方法
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException {
        Class cls = TestReflection7.class;
        Method test1 = cls.getMethod("test1", Map.class, List.class);

        Type[] genericParameterTypes = test1.getGenericParameterTypes();
        for (Type type:genericParameterTypes){
            System.out.println("-"+type);
            if(type instanceof ParameterizedType){
                Type[] actualTypeArguments = ((ParameterizedType) type).getActualTypeArguments();
                for(Type actualTypeArgument :actualTypeArguments){
                    System.out.println(actualTypeArgument);
                }
            }
        }

        Method test2 = cls.getMethod("test2");
        Type returnType = test2.getReturnType();
            System.out.println("-"+returnType);
            if(returnType instanceof ParameterizedType){
                Type[] actualTypeArguments = ((ParameterizedType) returnType).getActualTypeArguments();
                for(Type actualTypeArgument :actualTypeArguments){
                    System.out.println(actualTypeArgument);
                }
            }
    }
}


-java.util.Map<java.lang.String, java.lang.Integer>
class java.lang.String
class java.lang.Integer
-java.util.List<com.volcano.reflection.User>
class com.volcano.reflection.User
-interface java.util.List

动态代理

​ 问题：假设在一个项目中有100个Java类，每个类10个方法，需要在每个方法中添加两行代码，分别打印当前方法的执行开始和执行结束。

​ 手动修改肯定不合适，所以需要一个动态代理类。

public interface ITest{
  void test1();
  void test2();
}

public class Test implements ITest{
  @Override
  public test1(){
    System.out.println("test1....ing...");
  }
  public test1(){
    System.out.println("test2....ing...");
  }
}

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
public class ProxyDemo implements InvocationHandler{
  Object obj;//被代理的对象
  //注意：如果一个对象想要通过 Proxy.newProxyInstance方法被代理，
	//那么这个对象的类一定要有相应的接口
  //像类Test实现了ITest接口
  public ProxyDemo(Object obj){
    this.obj = obj;
  }
  @Override
  public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable{
    System.out.println(method.getName()+"执行开始");
    Object result = method.invoke(this.obj, args);//执行指定代理对象的方法
    return result;
    System.out.println(method.getName()+"执行结束");
  }
}

//使用
ITest test = new Test();//多态的体现
InvocationHandler handler = new ProxyDemo(test);//ProxyDemo实现的是InvocationHandler
/*
Proxy.newProxyInstance(ClassLoader,interfaces,obj)
参数1：被代理对象的classLoader
参数2：被代理对象的interfaces
参数3：被代理对象本身
返回值：Object 返回成功被代理的对象 根据情况强制转换类型，这里也就是test
*/
Test t = (Test)Proxy.newProxyInstance(handler.getClass().getClassLoader(), test.getClass().getInterfaces(), handler);
t.test1();
t.test2();//这两个方法都有了 开始执行 和 结束执行 的输出语句
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