Java反射機制深度剖析

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      Java反射機制是Java語言中一種很重要的機制，可能在工作中用到的機會不多，但是在很多框架中都有用到這種機制。我們知道Java是一門靜態語言，在程序編譯時變量的數據類型都已經確定，那么在Java運行時環境中，對於任意一個類，我們能否知道這個類有哪些屬性和方法？對於任意一個對象，能否調用它的任意一個方法？答案是肯定的。這種動態獲取類的信息以及動態調用對象的方法的功能來自於Java的反射機制（Reflection）。

 

      1、Java反射機制提供的功能

      主要提供了以下幾個功能：

      1）在運行時判斷任意一個對象所屬的類；

      2）在運行時構造任意一個類的對象；

      3）在運行時判斷任意一個類所具有的成員變量和方法；

      4）在運行時調用任意一個對象的方法。

      反射讓Java具有了動態的特性，這種機制允許程序在運行時透過Reflection API獲取任意一個已知名稱的類的內部信息，包括成員變量（fields）、方法（methods）、實現的接口（interfaces）、Java語言修飾符（modifiers）以及它的父類（superclass）等等，並可在運行時改變成員變量的內容或調用方法。

 

      2、Java Reflection API

      在JDK中，提供了以下類來實現Java反射機制，這些類都位於java.lang.reflect包下：

      Class類：代表一個類（注意：Class類位於java.lang包下）；

      Field類：代表類的成員變量；

      Method類：代表類的方法；

      Constructor類：代表類的構造方法；

      Array類：提供了動態創建數組，以及訪問數組的元素的靜態方法。

      通過API提供的這些類里的方法，我們可以動態獲取想要的類的內部信息。

 

      3、獲取類的Class對象

      Class類的實例表示正在運行的Java程序中的類和接口，每一個類都有對應的Class對象，不管一個類生成了多少個對象，這些對象都對應內存里的同一個Class對象。Class類沒有public的構造方法，Class對象是在加載類時由Java虛擬機自動構建的。

      有以下幾種方式來獲取一個類的Class對象：

      1）Class類提供的靜態方法：forName(String className)，參數className表示所需類的完全限定名。     

public class GetClassObject {
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        
        Class<?> classType = Class.forName("java.lang.String");
        
        System.out.println(classType);//輸出：class java.lang.String
    }

}

     

      2）運用.class語法     

public class GetClassObject {
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        
        Class<?> classType = String.class;
        
        System.out.println(classType);//輸出：class java.lang.String
    }

}

     

      3）Object類提供的方法：getClass()     

public class GetClassObject {
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        
        Map map = new HashMap();
        Class<?> classType = map.getClass();
        
        System.out.println(classType);//輸出：class java.util.HashMap
    }

}

 

      4、獲取類的Field（成員變量）對象

      類的每一個成員變量都對應一個Field對象，Class類提供了以下方法來獲取類的成員變量對應的Field對象：

      1）Field getDeclaredField(String name)：根據傳入的變量名稱返回此Class對象所表示的類或接口中聲明的變量對應的Field對象。

      2）Field[] getDeclaredFields()：返回一個Field類型的數組，包含此Class對象所表示的類或接口中聲明的所有變量的Field對象。

      3）Field getField(String name)：根據傳入的變量名返回一個Field對象，注意與getDeclaredField(String name)不同的是，此方法返回的是public變量對應的Field對象。

      4）Field[] getFields()：返回一個Field類型的數組，注意與Field[] getDeclaredFields()方法不同的是，此方法返回的是所有public變量對應的Field對象。

      代碼示例：

public class GetFieldObject {
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        
        //首先，獲得String類的Class對象
        Class<?> classType = Class.forName("java.lang.String");
        
        //獲得String類中聲明的所有成員變量的Field對象的數組
        Field[] fields = classType.getDeclaredFields();
        for(Field field : fields){
            System.out.println(field);
        }    
        
        System.out.println("---------------------------------------------------------------------");
        
        //獲得String類中聲明的public成員變量的Field對象的數組
        Field[] publicFields = classType.getFields();
        for(Field field : publicFields){
            System.out.println(field);
        }
        
    }

}

      輸出結果：

      

      從結果輸出可以看出getDeclaredFields()與getFields()的區別：getDeclaredFields()返回的是所有屬性的Field對象；而getFields()返回的是聲明為public的屬性的Field對象。

 

      5、獲取類的Method對象

      類中的每一個方法都對應一個Method對象，Class類提供了以下方法來獲取類中的方法對應的Method對象：

      1）Method getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)：返回一個Method對象，參數name表示方法名，可變參數parameterTypes是一個Class對象的數組，代表方法的參數的Class類型；

      2）Method[] getDeclaredMethods()：返回Method對象的一個數組，這些對象反映此Class對象所表示的類或接口聲明的所有方法，包括公共、保護、默認訪問和私有方法，但不包括繼承的方法；

      3）Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)：返回一個Method對象，注意和此Method對象對應的方法是公共(public)方法；

      4）Method[] getMethods()：返回一個Method數組，這些對象反映此Class對象所表示的類或接口中聲明的公共(public)方法（也包括父類或父接口中聲明的public方法）。
      代碼示例：     

public class GetMethodObject {
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        
        //首先，獲得類的Class對象
        Class<?> classType = Class.forName("java.lang.reflect.Proxy");
        
        //獲得類中聲明的所有方法的Method對象的數組，不包括繼承的父類的方法
        Method[] methods = classType.getDeclaredMethods();
        for(Method method : methods){
            System.out.println(method);
        }    
        
        System.out.println("----------------------------------------------------------------------");
        
        //獲得類中的public方法的Method對象的數組，也包括繼承的父類的public方法
        Method[] publicMethods = classType.getMethods();
        for(Method method : publicMethods){
            System.out.println(method);
        }
        
    }

}

      輸出結果：

      

 

      6、用反射機制調用對象的方法

      Java反射機制可以在運行時動態調用類中的方法，Java Reflection API提供了我們所需的方法來完成動態調用。要想調用類中的方法首先要創建一個對象，我們通過類的Class對象來創建它所代表的類的實例，通過Class對象我們還能獲得類中聲明的方法的Method對象，Method類提供了Invoke方法來調用此Method對象所表示的方法。反射機制調用方法代碼示例如下：   

public class InvokeTester {
    
    public static int add(int a, int b){
        return a + b;
    }
    
    public static String echo(String str){
        return "hello "+str;
    }
    
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
//        InvokeTester invoke = new InvokeTester();
//        System.out.println(invoke.add(1, 2));
//        System.out.println(invoke.echo("tom"));
        
        
        //用反射機制調用，首先獲得類的Class對象
        Class<?> classType = InvokeTester.class;
        
        //通過Class對象獲得一個InvokeTester類的實例
        Object invoke = classType.newInstance();
        
        //獲得add(int a, int b)方法的Method對象，getMethod方法的參數為方法名和方法參數類型的Class對象的數組
        Method addMethod = classType.getMethod("add", int.class, int.class);
        
        //通過Method類的invoke方法，調用invoke對象的add方法
        Object result = addMethod.invoke(invoke, 1, 2);
        
        System.out.println(result);
        
        Method echoMethod = classType.getMethod("echo", String.class);
        
        Object result2 = echoMethod.invoke(invoke, "Tom");
        
        System.out.println(result2);
        
    }
}

 

      7、用反射機制調用類的私有方法

      我們知道正常情況下一個類的私有方法只允許這個類本身來調用，但使用反射機制能打破這種訪問限制，讓其他的類也能調用這個類的私有的方法。這種場景在實際開發中很少用到，Java也不提倡這種用法。代碼示例如下：  

public class Private {
    
    //定義一個私有方法
    private String sayHello(String name){
        return "hello, "+name;
    }

}


public class PrivateTest {
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //調用Private類的私有方法
        Private p = new Private();
        
        Class<?> classType = p.getClass();
        
        Method method = classType.getDeclaredMethod("sayHello", String.class);
        
        method.setAccessible(true);//取消Java訪問檢查,如果不設置此項則會報錯
        
        String str = (String)method.invoke(p, "Tracy");
        
        System.out.println(str);//輸出：hello, Tracy
    }
    
}

      Method、Field、Constructor類有一個共同的父類AccessibleObject類，它提供了將反射的對象標記為在使用時取消默認Java語言訪問控制檢查的能力。在上面的代碼中，我們在反射對象Method中設置accessible標志，它允許程序以某種通常禁止的方式來操作對象。

 

      8、用反射機制操作類的私有變量

      與前面調用類的私有方法類似，通過反射我們還能操作類的私有變量，代碼示例如下：   

public class Private2 {
    //定義私有變量
    private String name = "zhangsan";
    
    public String getName(){
        return name;
    }
}


public class PrivateTest2 {
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //改變Private2類的私有變量的值
        Private2 p = new Private2();
        
        Class<?> classType = p.getClass();
        
        Field field = classType.getDeclaredField("name");
        
        field.setAccessible(true);//取消默認java訪問控制檢查，Field類的父類AccessibleObject類提供的方法
        
        field.set(p, "lisi");//Field類的set(Object obj, Object value)方法將指定對象上此Field對象表示的字段設置為指定的新值
        
        System.out.println(p.getName());//輸出：lisi
        
    }
    
}

      以上這些內容，我介紹了Java反射機制的中涉及的主要的幾個類以及這些類的基本用法，這些類中還有很多的方法，大家可以通過查看API進行了解，用法都很簡單。Java反射機制在很多框架的底層實現中有用到，還有一種很重要的設計模式也用到了反射，那就是代理模式中的動態代理，了解了動態代理模式的思想對我們研究框架有很大幫助，我會在后面的博客中介紹這些內容，歡迎大家共同探討。