Java系列筆記(2) - Java RTTI和反射機制

目錄

1. 前言
2. 傳統的RTTI
3. 反射
4. 反射的實現方式
5. 反射的性能
6. 反射與設計模式

前言

並不是所有的Class都能在編譯時明確，因此在某些情況下需要在運行時再發現和確定類型信息（比如：基於構建編程，），這就是RTTI（Runtime Type Information，運行時類型信息）。

在java中，有兩種RTTI的方式，一種是傳統的，即假設在編譯時已經知道了所有的類型；還有一種，是利用反射機制，在運行時再嘗試確定類型信息。

本文主要講反射方式實現的RTTI，建議在閱讀本文之前，先了解類的加載機制（參考我的博客：Java系列筆記(1) - Java 類加載與初始化）。

在本文中，將共同使用下面的玩具類Toy，該類中定義了公有、私有方法，變量，構造方法，父類、父接口等：

package myblog.rtti;

/**
 * @project MyBlog
 * @create 2013年6月28日 下午4:42:46
 * @version 1.0.0
 * @author 張廣
 */
public interface IToy {
        public String playToy(String player) throws Exception;
}

package myblog.rtti;

public class AbstractToy implements IToy {
        @Override
        public String playToy(String player) throws Exception {
                System.out.println(player + " plays abstract toy");
                return "";
        }
}

package myblog.rtti;

public class Toy extends AbstractToy {

        private String name;

        public String color;

        protected int size;

        public static final int price = 10;

        static {
                System.out.println("Loading");
        }

        public Toy() {// 構造方法一定要聲明為public類型，不然用getConstructors無法得到
                System.out.println("Initialing");
                setName("myToy");
                color = "red";
                size = 5;
        }

        public Toy(String name, String color, int size) {
                this.setName(name);
                this.color = color;
                this.size = size;
        }

        public String getName() {
                return name;
        }

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

        @Override
        public String playToy(String player) throws Exception {
                String msg = buildMsg(player);
                System.out.println(msg);
                return msg;
        }

        private String buildMsg(String player) {
                String msg = player + " plays " + name;
                return msg;
        }
}

傳統的RTTI

嚴格的說，反射也是一種形式的RTTI，不過，一般的文檔資料中把RTTI和反射分開，因為一般的，大家認為RTTI指的是傳統的RTTI，通過繼承和多態來實現，在運行時通過調用超類的方法來實現具體的功能（超類會自動實例化為子類，或使用instance of）。

傳統的RTTI有3種實現方式：

• 向上轉型或向下轉型（upcasting and downcasting），在java中，向下轉型（父類轉成子類）需要強制類型轉換
• Class對象（用了Class對象，不代表就是反射，如果只是用Class對象cast成指定的類，那就還是傳統的RTTI）
• instanceof或isInstance()

傳統的RTTI與反射最主要的區別，在於RTTI在編譯期需要.class文件，而反射不需要。傳統的RTTI使用轉型或Instance形式實現，但都需要指定要轉型的類型，比如：

public void rtti(Object obj){
    Toy toy = Toy(obj);
    // Toy toy = Class.forName("myblog.rtti.Toy")
    // obj instanceof Toy
}

注意其中的obj雖然是被轉型了，但在編譯期，就需要知道要轉成的類型Toy，也就是需要Toy的.class文件。

相對的，反射完全在運行時在通過Class類來確定類型，不需要提前加載Toy的.class文件。

反射

那到底什么是反射（Reflection）呢？反射有時候也被稱為內省（Introspection），事實上，反射，就是一種內省的方式，Java不允許在運行時改變程序結構或類型變量的結構，但它允許在運行時去探知、加載、調用在編譯期完全未知的class，可以在運行時加載該class，生成實例對象（instance object），調用method，或對field賦值。這種類似於“看透”了class的特性被稱為反射（Reflection），我們可以將反射直接理解為：可以看到自己在水中的倒影，這種操作與直接操作源代碼效果相同，但靈活性高得多。

關於Java的反射API，沒必要去記憶，可以在任何JDK API中查詢即可：

Class類：http://www.ostools.net/uploads/apidocs/jdk-zh/java/lang/Class.html

reflect包：http://www.ostools.net/uploads/apidocs/jdk-zh/java/lang/reflect/package-summary.html

反射的實現方式

package myblog.rtti;

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

/**
 * @project MyBlog
 * @create 2013年6月28日 下午3:00:33
 * @version 1.0.0
 * @author 張廣
 */
public class ToyReflection {
        public static void printInfo(String info, Object obj) {
                if (obj.getClass().isArray()) {
                        System.out.println(info + ": ");
                        int length = Array.getLength(obj);
                        System.out.println("Array Size: " + length);
                        for (int i = 0; i < length; i++) {
                                System.out.print("Array[" + i + "]: " + Array.get(obj, i) + ", ");
                        }
                        if (length != 0)
                                System.out.println();
                }
                System.out.println(info + ": " + obj.toString());
        }

        public static void main(String[] args) {

                try {
                        // 獲得類對象
                        Class<?> c = Class.forName("myblog.rtti.Toy");
                        printInfo("獲得類對象", c);

                        // 獲得超類
                        Class<?> superClass = c.getSuperclass();
                        printInfo("獲得超類", superClass);

                        // 獲得所有父接口
                        Class<?>[] interfaces = c.getInterfaces();
                        printInfo("獲得所有父接口", interfaces);

                        // 實例化
                        Toy toy = (Toy) c.newInstance();
                        printInfo("實例化", toy);

                        // 獲得訪問屬性為public的構造方法
                        Constructor<?>[] constructors = c.getConstructors();
                        printInfo("獲得構造方法", constructors);

                        // 獲得指定參數的構造方法
                        Constructor<?> constructor = c.getDeclaredConstructor(String.class, String.class, int.class);
                        printInfo("獲得指定構造方法", constructor);

                        // 獲得方法，getMethod只能獲得public方法，包括父類和接口繼承的方法
                        Method method = c.getMethod("playToy", String.class);
                        printInfo("獲得公有方法", method);

                        // 調用方法
                        method.invoke(toy, "張三");

                        // 獲得修飾符，包括private/public/protect,static
                        String modifier = Modifier.toString(method.getModifiers());
                        printInfo("獲得修飾符", modifier);

                        // 獲得參數類型
                        Class<?>[] paramTypes = method.getParameterTypes();
                        printInfo("獲得參數類型", paramTypes);

                        // 獲得返回值類型
                        Class<?> returnType = method.getReturnType();
                        printInfo("獲得返回值類型", returnType);

                        // 獲得異常類型
                        Class<?>[] excepTypes = method.getExceptionTypes();
                        printInfo("獲得異常類型", excepTypes);

                        // 調用私有方法，getDeclaredMethod獲得類自身的方法，包括public,protect,private方法
                        Method method2 = c.getDeclaredMethod("buildMsg", String.class);
                        method2.setAccessible(true);
                        String result = (String) method2.invoke(toy, "李四");
                        printInfo("獲得私有方法", result);

                        // 獲得全部屬性
                        Field[] fields = c.getFields();
                        printInfo("獲得全部屬性", fields);

                        // 獲得類自身定義的指定屬性
                        Field field = c.getDeclaredField("name");
                        printInfo("獲得自身屬性", field);

                        // 獲得類及其父類，父接口定義的public屬性
                        Field field2 = c.getField("color");
                        printInfo("獲得公有屬性", field2);

                        // 獲得權限修飾符，包括private/public/protect,static,final
                        String fieldModifier = Modifier.toString(field.getModifiers());
                        printInfo("獲得權限修飾符", fieldModifier);

                        // 操作數組
                        int[] exampleArray = { 1, 2, 3, 4, 5 };
                        // 獲得數組類型
                        Class<?> componentType = exampleArray.getClass().getComponentType();
                        printInfo("數組類型", componentType.getName());
                        // 獲得長度
                        printInfo("數組長度", Array.getLength(exampleArray));
                        // 獲得指定元素
                        printInfo("獲得數組元素", Array.get(exampleArray, 2));
                        // 修改指定元素
                        Array.set(exampleArray, 2, 6);
                        printInfo("修改數組元素", exampleArray);

                        // 獲得當前的類加載器
                        printInfo("獲得當前類加載器", toy.getClass().getClassLoader().getClass().getName());
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (InstantiationException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (IllegalAccessException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (SecurityException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (NoSuchMethodException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (IllegalArgumentException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (InvocationTargetException e) {
                        e.printStackTrace();
                } catch (NoSuchFieldException e) {
                        e.printStackTrace();
                }

        }
}

 通過上面的代碼，可以清晰的理解如何“在水中看到自己”，不過需要注意的有幾點：

1，在java的反射機制中，getDeclaredMethod得到的是全部方法，getMethod得到的是公有方法；

2，反射機制的setAccessible可能會破壞封裝性，可以任意訪問私有方法和私有變量；

3，setAccessible並不是將private改為public，事實上，public方法的accessible屬性也是false的，setAccessible只是取消了安全訪問控制檢查，所以通過設置setAccessible，可以跳過訪問控制檢查，執行的效率也比較高。參考：http://blog.csdn.net/devilkin64/article/details/7766792

反射的性能

反射機制給予Java開發很大的靈活性，但反射機制本身也有缺點，代表性的缺陷就是反射的性能，一般來說，通過反射調用方法的效率比直接調用的效率要至少慢一倍以上。

關於性能的問題，可以參考這篇博客http://blog.csdn.net/l_serein/article/details/6219897

反射與設計模式

反射的一個很重要的作用，就是在設計模式中的應用，包括在工廠模式和代理模式中的應用。關於這一方面，我會在后續的文章中介紹，有興趣的朋友也先可以參考這篇文章http://www.cnblogs.com/rollenholt/archive/2011/09/02/2163758.html中關於動態代理模式實現方法的文章。

參考資料

JAVA編程思想，第14章

Java-RTTI與反射機制--詳細 ：http://blog.csdn.net/dahaizisheng/article/details/1762327

Java反射詳解：http://www.cnblogs.com/rollenholt/archive/2011/09/02/2163758.html

RTTI和反射機制：http://blog.sina.com.cn/s/blog_5ea2d6840100v9bu.html

Java中的RTTI和反射機制：http://blog.csdn.net/a81895898/article/details/8457623

Java反射性能測試：http://blog.csdn.net/l_serein/article/details/6219897