高级java思考笔记:反射的基本原理1

Posted 2021-12-03 tyler_download

原来我一直将java当做不用delete的c++来用，但是最近在工作上遇到一些问题，发现这样的做法不管用，因为工作上遇到的java代码采用了很多框架，例如spring boot之类。当我想深入了解这些框架的设计原理时发现，如果不了解java的高级语法特性，这些框架的设计思维或运行方式根本就无法理解。

后来稍微调查一下发现，自从java8之后，java的语法发生了巨大的变化，代码的设计模式也不再像以前“不用delete的c++"，参照原来c++的思维去解读java代码已经行不通了，于是重新学习，顺便在学习和思考中做一些总结输出。

java新增语法特征中，有较为抽象的一部分叫反射，其实说白了就是用程序来控制程序。java将一切概念都包含在类中，于是对应每一个具体类，语言体系还为特定的具体类生成了描述其特性的抽象类，例如我们定义了如下一个类：

 static public class HelloWorld {
     public void sayHelloWorld1(String s) {
            System.out.println("say hello world 1!: " + s);
        }

        public void sayHelloWorld2(int i) {
            System.out.println("say hello world 2: " + i);
        }
        
        protected  void sayHelloWorld3() {
            System.out.println("say hello world3");
        }
        
        private void sayHelloworld4() {
            System.out.println("say hello world4");
        }
        
        public String field1 = "hello";
        protected int field2 = 1;
        private int field3 = 2;
       
    }

这个类里面有公有，保护，私有等几个方法，虚拟机在为这个类生成字节码时，还构建了另一个类，用于描述这个类的类，可以称为它的源类，后者用来描述前者在编程语言上的特性，例如它包含了哪些方法，这些方法对应的参数，返回值，公有私有等，如果把一个类比作人，那么反射其实就是x光扫描，它把你内外的具体细节都暴露出来，我们看看怎么用反射来解读上面定义的类：

    public static void manipulateHelloWorldClass(Object obj) {
        Class cls = obj.getClass();
        //打印出类对象对应的类名
        System.out.println("object class name: " + cls.getName());
        //返回实例对应的类所声明的所有函数
        Method[] methods = cls.getDeclaredMethods();
        for (Method method : methods) {
            System.out.println("delcared method name: " +  method.getName());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        HelloWorld helloWorld = new HelloWorld();
        manipulateHelloWorldClass(helloWorld);
    }

上面代码运行后输出结果如下：

可以看到，代码打印出helloword实例对象在编程语言上的信息，例如上面代码就打印出它对应类的名字，都有哪些方法等等，在Java语言中Class类也叫原类，它用来解析所有实例对应类在编程语法上的信息，每个实例对应的类都能得到一个Class类对应的实例，就像代码中那样，这个实例能够查询对应类有哪些方法，定义了哪些字段.

代码中调用了getDeclaredMethods来获得实例所对应类在定义时声明的所有方法，Class类还有一个方法叫getMethods，它返回实例对应类自己在定义时所声明的公有方法，以及继承过来的所有公有方法。

反射机制一个很重要的作用就是能够查询给定实例是否有特定接口，然后调用相关接口，代码如下：

    public static void callMethod(Object obj) {
        Class cls = obj.getClass();
        try {
            Method method = cls.getMethod("sayHelloWorld1", new Class[] {String.class});
            method.invoke(obj, new Object[]{"hello world"});
            method = cls.getMethod("sayHelloWorld2", new Class[] {int.class});
            method.invoke(obj, new Object[]{new Integer(123)});
        } catch(NoSuchMethodException e) {
            e.printStackTrace();;
        } catch (IllegalAccessException e) {
            throw new IllegalArgumentException("Insufficient access permissions to call"
                    + "setColor(:Color) in class " + cls.getName());
        } catch (InvocationTargetException ex) {
            throw new RuntimeException(ex);
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        HelloWorld helloWorld = new HelloWorld();
      //  manipulateHelloWorldClass(helloWorld);
        callMethod(helloWorld);
    }

上面代码执行后结果如下所示：

我们可以体会到，c++是不会有这种特性的，java由于具备了这种反射机制，使得它能够用来开发很多框架，在java世界里形形色色的框架特别多，这跟它在语法上支持反射不无关系，类似spring boot这些java程序员绝对必须要掌握的框架，它的设计就大量使用了反射机制。

使用反射功能还可以很好的实现类实例的序列化，当我们想要将一个类实例的信息从内存存储到硬盘时，我们就需要将类实例当前内部各个字段的信息存储到文件里，以后需要的时候再从文件中读出，然后利用读到的数据重新把类的实例new出来，因此实现序列化第一步就是要获得类实例所有字段的数据，相应代码如下：

import java.lang.reflect.*;
import java.util.*;

public class Serializer {
    public static Field[] getInstanceVariable(Object obj) {
        Class cls = obj.getClass();
        List accumFields = new LinkedList();
        while (cls != null) {
            //获得实例对应类所声明的全部字段
            Field[] fields = cls.getDeclaredFields();
            for (Field field : fields) {
                accumFields.add(field); //将字段对应的元类对象存储起来
            }

            cls = cls.getSuperclass(); //获得父类对象
        }
    }
}

代码中要注意到，实例化一个类实例时，还需要考虑这个类的继承关系，如果它有父类的话，我们还需要取得其父类的字段对应的信息，所以代码中使用getSupperclass方法获得实例对应类的父类的源类对象。

前面代码中我们看到，Field类对应的getModifier能返回字段的修饰属性，也就是字段是public, private, protected , static, native等等，它返回的是一个2的指数幂数值，实际上它对应一个16比特位数值，当字段属于哪种情况，就在相应的比特位上设置为1，因为字段的属性总共有16种，因此getModifier返回一个2字节的整数。

得到这个数值后，我们再调用一系列方法获得其属性，例如isPublic返回字段是否是public类型，isPrivate返回字段是否为private类型等。由于我们在序列化一个实例时，不用关注那些静态变量，因为静态变量的值是写死的，因此需要堆上面的代码进行修改，忽略掉那些被static修饰的字段:

import java.lang.reflect.*;
import java.util.*;

public class Serializer {
    public static Field[] getInstanceVariable(Object obj) {
        Class cls = obj.getClass();
        List accumFields = new LinkedList();
        while (cls != null) {
            //获得实例对应类所声明的全部字段
            Field[] fields = cls.getDeclaredFields();
            for (Field field : fields) {
                //确保字段不是static类型
                if(!Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {
                    accumFields.add(field);
                }
            }

            cls = cls.getSuperclass(); //获得父类对象
        }

        Field[] retvalue = new Field[accumFields.size()];
        return (Field[])accumFields.toArray(retvalue);
    }
}

这里还有很多问题需要考虑，例如序列化实例时，我们需要获取类实例里面字段的值，但是如果字段属性是private或者protected时，我们就不能直接从类实例中读取字段内容，同时如果字段对应的是数组类型，那么我们还得采取特定的处理方法，为了防止文章长度过长令人看不下去，我们把这些内容总结再下一篇：
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