JavaSE学习之反射

Posted 2021-03-05 yfyyy

Java SE 反射机制

Reflecton（反射） 被视为 动态语言 的关键，反射机制运行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。

加载完类之后，在堆内存的方法区就产生了一个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，透过镜子看到类的结构，所以，我们形象的称之为：反射

• 正常方式： 引入需要的"包类"名称 ---> 通过new实例化 ---> 取得实例化对象
• 反射方式：实例化对象 ---> getClass()方法 ---> 得到完整的"包类"名称

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。通俗的说就是在运行时，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

静态语言

于动态语言相对应的，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、字节码操作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
• 在运行时获取泛型信息
• 在运行时调用任意一个对象的常用变量和方法
• 在运行时处理注解
• 生成动态代理

反射相关的主要 API

• java.lang.Class：代表一个类
• java.lang.reflect.Mrthod：代表类的方法
• java.lang.reflect.Field：代表类的成员变量
• java.lang.reflect.Constructor：代表类的构造器
• ... ...

package cn.imut.relfection;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;

@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class Person {
    private String name;
    public Integer age;

    public void show() {
        System.out.println("你好~");
    }

    private String showNation(String nation) {
        System.out.println("我的国籍是：" + nation);
        return nation;
    }

    private Person(String name) {
        this.name = name;
    }
}

package cn.imut.relfection;

import org.junit.jupiter.api.Test;

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

public class ReflectionTest {
    //反射之前
    @Test
    public void test1() {
        //创建对象
        Person person = new Person("Tom",12);

        //通过对象，调用其内部的属性和方法
        person.age = 10;
        System.out.println(person.toString());
        person.show();

        //在Person外部，不可以通过其对象调用其私有结构

    }

    //反射之后
    @Test
    public void test2() throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException, NoSuchFieldException {
        //1.通过反射，创建Person类的对象
        Class<Person> aClass = Person.class;
        Constructor<Person> constructor = aClass.getConstructor(String.class, Integer.class);
        Person person = constructor.newInstance("Tom", 12);
        System.out.println(person);

        //2.通过反射，调用属性，方法
        Field age = aClass.getDeclaredField("age");
        age.set(person,10);
        System.out.println(person);

        Method show = aClass.getDeclaredMethod("show");
        show.invoke(person);

        //通过反射，可以调用Person的私有结构
        Constructor<Person> declaredConstructor = aClass.getDeclaredConstructor(String.class);
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        Person person1 = declaredConstructor.newInstance("jerry");
        System.out.println(person1);

        Field name = aClass.getDeclaredField("name");
        name.setAccessible(true);
        name.set(person1,"zl");
        System.out.println(person1);

        Method showNation = aClass.getDeclaredMethod("showNation", String.class);
        showNation.setAccessible(true);
        showNation.invoke(person1,"中国");
    }
}

疑问

• 通过直接new的方式或者反射的方式都可以调用公告的结构，开发中用哪个？

  建议使用new

  反射的特征是动态性，若编译时不确定new具体哪个对象，就只用反射的方式

• 反射机制与面向对象中的封装性是不是矛盾的？如何看待两个技术？

  不矛盾，封装性中声明私有方法的出发点并不是完全私有，private 只是一个关键字，它不是安全机制，可以理解为他是一个约定

关于java.lang.Class 类的理解

• 加载过程：

  程序经过javac.exe命令以后，会生成一个或多个字节码文件（.class），接着使用javac.exe命令对某个字节码文件进行解释运行，相当于将某个字节码文件加载到内存，此过程为类的加载

  加载到内存的类，我们称之为运行时类，此运行时类，就作为Class的一个实例

• Class的实例就对应着一个运行时类

• 加载到内存的运行时类，会缓存一定的时间。在此时间之内，我们可以通过不同的方式来获取此运行时类

      @Test
      //获取Class实例
      public void test3() throws ClassNotFoundException {
          //方式一：调用运行时类的属性：.class
          Class<Person> aClass = Person.class;
          System.out.println(aClass);
  
          //方式二：通过运行时类的对象：调用getClass()
          Person p1 = new Person();
          Class<? extends Person> aClass1 = p1.getClass();
          System.out.println(aClass1);
  
          //方式三：调用Class的静态方法：forName(String classPath)
          Class<?> name = Class.forName("cn.imut.relfection.Person");
          System.out.println(name);
  
          //判断(获取的都是内存中同一个对象)
          System.out.println(aClass == aClass1);
          System.out.println(aClass1 == name);
  
          //方式四：类的加载器：ClassLoader
          ClassLoader classLoader = ReflectionTest.class.getClassLoader();
          Class<?> aClass2 = classLoader.loadClass("cn.imut.relfection.Person");
          System.out.println(aClass2);
      }

• 哪些类型可以有Class对象？

  • class：外部类，成员(成员内部类，静态内部类)，局部内部类，匿名内部类
  • interface：接口
  • []：数组
  • enum：枚举
  • annotation：注解@interface
  • primitive type：基本数据类型
  • void

类的加载过程与ClassLoader的理解

当程序主动使用某个类时，若该类还未被加载到内存中，则系统会通过以下三个步骤来对类进行初始化

• 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的数据结构，然后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（即引用地址），所有需要访问和使用类数据只能通过这个Class对象 ，这个加载的 过程需要类加载器参与

• 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

  • 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，例如：以cafe开头，没有安全方面的问题
  • 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 都将在方法区中进分配。
  • 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。

• 初始化

  • 执行类构造器()方法的过程。类构造器()方法是由编译期自动收集类中 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）。
  • 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
  • 虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确加锁和同步。

类初始化

• 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
  • new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
    • 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）

类加载器的作用

• 类加载器

  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。

了解ClassLoader

创建运行时类的对象

有了Class对象，能做什么？

创建类的对象：调用Class对象的newInstance()方法

要 求

• 类必须有一个无参数的构造器
• 类的构造器的访问权限需要足够

难道没有无参的构造器就不能创建对象了吗？ 不是！

只要在操作的时候明确的调用类中的构造器，并将参数传递进去之后，才可以实例化操作。 步骤如下

• 通过Class类的getDeclaredConstructor(Class … parameterTypes)取得本类的指定形参类 型的构造器
• 向构造器的形参中传递一个对象数组进去，里面包含了构造器中所需的各个参数
• 通过Constructor实例化对象

@Test
public void test4() throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
    //1. 根据全类名获取对应的Class对象
    String name = "cn.imut.relfection.Person";
    Class<?> aClass = Class.forName(name);

    //2.调用指定参数结构的构造器，生成Constructor的实例
    Constructor<?> constructor = aClass.getConstructor(String.class, Integer.class);

    //3.通过Constructor的实例创建对应类的对象，并初始化类属性
    Object peter = constructor.newInstance("Peter", 20);
    System.out.println(peter);
}

获取运行时类的完整结构

使用反射可以得到

• 实现的全部接口

  public Class<?>[] getInterfaces()

  确定此对象所表示的类或接口实现的接口

• 所继承的父类

  public Class<? Super T> getSuperclass()

  返回表示此 Class 所表示的实体（类、接口、基本类型）的父类的 Class

• 全部的构造器

  public Constructor[] getConstructors()

  返回此 Class 对象所表示的类的所有public构造方法

  public Constructor[] getDeclaredConstructors()

  返回此 Class 对象表示的类声明的所有构造方法

  • Constructor类中

    取得修饰符: public int getModifiers();

    取得方法名称: public String getName();

    取得参数的类型：public Class<?>[] getParameterTypes();

• 全部的方法

  public Method[] getDeclaredMethods()

  返回此Class对象所表示的类或接口的全部方法

  public Method[] getMethods()

  返回此Class对象所表示的类或接口的public的方法

  • Method类中

    public Class<?> getReturnType()

    取得全部的返回值

    public Class<?>[] getParameterTypes()

    取得全部的参数

    public int getModifiers()

    取得修饰符

    public Class<?>[] getExceptionTypes()

    取得异常信

• 全部的Field

  public Field[] getFields()

  返回此Class对象所表示的类或接口的public的Field

  public Field[] getDeclaredFields()

  返回此Class对象所表示的类或接口的全部Field

  • Field方法中

    public int getModifiers()

    以整数形式返回此Field的修饰符

    public Class<?> getType()

    得到Field的属性类型

    public String getName()

    返回Field的名称

• Annotation相关

  get Annotation(Class annotationClass)

  getDeclaredAnnotations()

• 泛型相关

  获取父类泛型类型：Type getGenericSuperclass()

  泛型类型：ParameterizedType

  获取实际的泛型类型参数数组：getActualTypeArguments()

• 类所在的包

  Package getPackage()

小结

• 在实际操作中，取得类的信息的操作代码，并不会经常开发
• 要熟悉java.lang.reflect包的作用，反射机制
• 如何取得属性、方法、构造器的名称，修饰符等等

调用运行时类的指定结构

• 调用指定方法

  通过反射，调用类中的方法，通过Method类完成

  步骤

  1. 通过Class类的getMethod(String name,Class…parameterTypes)方法取得 一个Method对象，并设置此方法操作时所需要的参数类型

  2. 之后使用Object invoke(Object obj, Object[] args)进行调用，并向方法中 传递要设置的obj对象的参数信息

     Object invoke(Object obj, Object … args)：

     说明

     • Object 对应原方法的返回值，若原方法无返回值，此时返回null
     • 若原方法若为静态方法，此时形参Object obj可为null
     • 若原方法形参列表为空，则Object[] args为null
     • 若原方法声明为private,则需要在调用此invoke()方法前，显式调用 方法对象的setAccessible(true)方法，将可访问private的方法。

• 调用指定属性

  在反射机制中，可以直接通过Field类操作类中的属性，通过Field类提供的set()和 get()方法就可以完成设置和取得属性内容的操作

  public Field getField(String name)

  返回此Class对象表示的类或接口的指定的 public的Field

  public Field getDeclaredField(String name)

  返回此Class对象表示的类或接口的 指定的Field

  • 在Field中

    public Object get(Object obj)

    取得指定对象obj上此Field的属性内容

    public void set(Object obj,Object value)

    设置指定对象obj上此Field的属性内容

• 关于setAccessible方法的使用

  • Method和Field、Constructor对象都有setAccessible()方法
  • setAccessible启动和禁用访问安全检查的开关
  • 参数值为true则指示反射的对象在使用时应该取消Java语言访问检查
    • 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

反射的应用：动态代理

代理设计模式的原理

使用一个代理将对象包装起来，然后用该代理对象取代原始对象。任何对原始对象的调用都要通过代理。代理对象决定是否以及何时将方法调用转到原始对象上

静态代理的特征是代理类和目标对象的类都是在编译器间确定下来，不利于程序的扩展。同时，每一个代理类只能为一个接口服务，这样一来程序开发中必然产生过多的代理。最好可以通过一个代理类完成全部的代理功能

• 动态代理是指客户通过代理类来调用其他对象的方法，并且在程序运行时根据需要动态创建目标类的代理对象
• 动态代理使用场合
  • 调试
  • 远程方法调用
• 动态代理相对于静态代理的优点
  • 抽象角色中（接口）声明的所有方法都被转移到调用处理器一个集中的方法中处理，这样，我们可以更加灵活和统一的处理众多的方法

静态代理回顾

package cn.imut.proxy;

//静态代理举例
//特点：代理类和被代理类在编译期间，就确定下来了
interface ClothFactory{
    void produceCloth();
}

//代理类
class ProduceClothFactory implements ClothFactory{

    //用被代理类对象进行实例化
    private ClothFactory factory;

    public ProduceClothFactory(ClothFactory factory) {
        this.factory = factory;
    }

    @Override
    public void produceCloth() {
        System.out.println("代理工厂做一些准备工作");
        factory.produceCloth();
        System.out.println("代理工厂做一些后续的收尾工作");
    }
}

//被代理类
class NikeClothFactory implements ClothFactory{

    @Override
    public void produceCloth() {
        System.out.println("Nike工厂成产运动服");
    }
}

public class StaticProxyTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建被代理类的对象
        NikeClothFactory nikeClothFactory = new NikeClothFactory();

        //创建代理类的对象
        ClothFactory produceClothFactory = new ProduceClothFactory(nikeClothFactory);

        produceClothFactory.produceCloth();
    }
}

package cn.imut.proxy;

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;

//动态代理举例
interface Human {
    String getBelief();
    void eat(String food);
}

//被代理类
class SupperMan implements  Human {

    @Override
    public String getBelief() {
        return "I believe I can fly!";
    }

    @Override
    public void eat(String food) {
        System.out.println("我喜欢吃" + food);
    }
}

/*
    动态代理
*/

class ProxyFactory {
    //调用此方法返回代理类对象
    public static Object getProxyInstance(Object obj) {     //obj：被代理类的对象
        MyInvocationHandler handler = new MyInvocationHandler();

        handler.bind(obj);
        return Proxy.newProxyInstance(obj.getClass().getClassLoader(), obj.getClass().getInterfaces(), handler);
    }
}

class MyInvocationHandler implements InvocationHandler {

    private Object obj;

    public void bind(Object obj) {
        this.obj = obj;
    }

    //当我们通过代理类的对象，调用方法a时，就会自动的调用如下的方法：invoke
    //将被代理类要执行的方法a的功能就声明在 invoke() 中
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {

        //代理类对象调用的方法
        return method.invoke(obj, args);
    }
}

public class ProxyTest {
    public static void main(String[] args) {
        SupperMan supperMan = new SupperMan();
        Human proxyInstance = (Human) ProxyFactory.getProxyInstance(supperMan);
        String belief = proxyInstance.getBelief();
        System.out.println(belief);
        proxyInstance.eat("麻辣烫");

        System.out.println("**********************************************");

        NikeClothFactory nikeClothFactory = new NikeClothFactory();
        ProxyFactory.getProxyInstance(nikeClothFactory);
    }
}