Carson带你学Java：一步步带你深入了解神秘的Java反射机制

谁践踏了优雅 2022-05-21 10:10 149阅读 0赞

![fedcf827170b012c679b233fbf30c8bb.png][]

# 前言 #

*  在 `Java`中，反射机制（`Reflection`）非常重要，但对于很多开发者来说，这并不容易理解，甚至觉得有点神秘
 *  今天，我将献上一份 **`Java`反射机制的介绍 & 实战攻略**，希望你们会喜欢。

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# 目录 #

![Java反射机制][Java]

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# 1. 简介 #

*  定义：`Java`语言中 一种 \*\*动态（运行时）\*\*访问、检测 & 修改它本身的能力
 *  作用：动态（运行时）获取**类的完整结构信息 & 调用对象的方法**

> 1.  类的结构信息包括：变量、方法等
> 2.  正常情况下，`Java`类在编译前，就已经被加载到`JVM`中；而反射机制使得程序运行时还可以动态地去操作类的变量、方法等信息

--------------------

# 2. 特点 #

### 2.1 优点 ###

灵活性高。因为**反射属于动态编译**，即只有到运行时才动态创建 &获取对象实例。

> 编译方式说明：
> 
> 1.  静态编译：在编译时确定类型 & 绑定对象。如常见的使用`new`关键字创建对象
> 2.  动态编译：运行时确定类型 & 绑定对象。动态编译体现了`Java`的灵活性、多态特性 & 降低类之间的藕合性

### 2.2 缺点 ###

*  执行效率低  
    因为反射的操作 主要通过`JVM`执行，所以时间成本会 **高于** 直接执行相同操作

> 1.  因为接口的通用性，Java的invoke方法是传object和object\[\]数组的。基本类型参数需要装箱和拆箱，产生大量额外的对象和内存开销，频繁促发GC。
> 2.  编译器难以对动态调用的代码提前做优化，比如方法内联。
> 3.  反射需要按名检索类和方法，有一定的时间开销。

*  容易破坏类结构  
    因为反射操作饶过了源码，容易干扰类原有的内部逻辑

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# 3. 应用场景 #

*  动态获取 **类文件结构信息（如变量、方法等） & 调用对象的方法**
 *  常用的需求场景有：动态代理、工厂模式优化、`Java JDBC`数据库操作等

> 下文会用实际例子详细讲解

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# 4. 具体使用 #

### 4.1 `Java`反射机制提供的功能 ###

![示意图][35d832742cf2e87ae2db0a00415e3b83.png]

### 4.2 实现手段 ###

*  反射机制的实现 主要通过 **操作`java.lang.Class`类**
 *  下面将主要讲解 `java.lang.Class` 类

##### 4.2.1 java.lang.Class 类 #####

*  定义：`java.lang.Class`类是反射机制的基础
 *  作用：存放着对应类型对象的 **运行时信息**

> 1.  在`Java`程序运行时，`Java`虚拟机为所有类型维护一个`java.lang.Class`对象
> 2.  该`Class`对象存放着所有关于该对象的 **运行时信息**
> 3.  泛型形式为`Class<T>`

*  每种类型的`Class`对象只有1个 = 地址只有1个

// 对于2个String类型对象，它们的Class对象相同
    Class c1 = "Carson".getClass();
    Class c2 =  Class.forName("java.lang.String");
    // 用==运算符实现两个类对象地址的比较
    System.out.println(c1 ==c2);
    // 输出结果：true

*  `Java`反射机制的实现除了依靠`Java.lang.Class`类，还需要依靠：`Constructor`类、`Field`类、`Method`类，分别作用于类的各个组成部分：

![示意图][716f79ba22265d5556fda2136d5cbacf.png]

### 4.3 使用步骤 ###

在使用`Java`反射机制时，主要步骤包括：

1.  获取 目标类型的`Class`对象
2.  通过 `Class` 对象分别获取`Constructor`类对象、`Method`类对象 & `Field` 类对象
3.  通过 `Constructor`类对象、`Method`类对象 & `Field`类对象分别获取类的构造函数、方法&属性的具体信息，并进行后续操作

下面，我将详细讲解每个步骤中的使用方法。

**步骤1：获取 目标类型的`Class`对象**

// 获取 目标类型的`Class`对象的方式主要有4种
    
    <-- 方式1：Object.getClass() -->
        // Object类中的getClass()返回一个Class类型的实例 
        Boolean carson = true; 
        Class<?> classType = carson.getClass(); 
        System.out.println(classType);
        // 输出结果：class java.lang.Boolean  
    
    <-- 方式2：T.class 语法    -->
        // T = 任意Java类型
        Class<?> classType = Boolean.class; 
        System.out.println(classType);
        // 输出结果：class java.lang.Boolean  
        // 注：Class对象表示的是一个类型，而这个类型未必一定是类
        // 如，int不是类，但int.class是一个Class类型的对象
    
    <-- 方式3：static method Class.forName   -->
        Class<?> classType = Class.forName("java.lang.Boolean"); 
        // 使用时应提供异常处理器
        System.out.println(classType);
        // 输出结果：class java.lang.Boolean  
    
    <-- 方式4：TYPE语法  -->
    
        Class<?> classType = Boolean.TYPE; 
        System.out.println(classType);
        // 输出结果：boolean

此处额外讲一下`java.lang.reflect.Type`类

*  `java.lang.reflect.Type`是 `Java`中所有类型的父接口
 *  这些类型包括:

![示意图][5f694152b8c39eba57a0aafc19b8ef51.png]

*  之间的关系如下

![示意图][0c96f473795ca0e926ab1b15c7ac009d.png]

**步骤2：通过 `Class` 对象分别获取`Constructor`类对象、`Method`类对象 & `Field` 类对象**

// 即以下方法都属于`Class` 类的方法。
    
    <-- 1. 获取类的构造函数（传入构造函数的参数类型）->>
      // a. 获取指定的构造函数 （公共 / 继承）
      Constructor<T> getConstructor(Class<?>... parameterTypes)
      // b. 获取所有的构造函数（公共 / 继承） 
      Constructor<?>[] getConstructors(); 
      // c. 获取指定的构造函数 （ 不包括继承）
      Constructor<T> getDeclaredConstructor(Class<?>... parameterTypes) 
      // d. 获取所有的构造函数（ 不包括继承）
      Constructor<?>[] getDeclaredConstructors(); 
    // 最终都是获得一个Constructor类对象
    
    // 特别注意：
      // 1. 不带 "Declared"的方法支持取出包括继承、公有（Public） & 不包括有（Private）的构造函数
      // 2. 带 "Declared"的方法是支持取出包括公共（Public）、保护（Protected）、默认（包）访问和私有（Private）的构造方法，但不包括继承的构造函数
      // 下面同理
    
    <--  2. 获取类的属性（传入属性名） -->
      // a. 获取指定的属性（公共 / 继承）
       Field getField(String name) ;
      // b. 获取所有的属性（公共 / 继承）
       Field[] getFields() ;
      // c. 获取指定的所有属性 （不包括继承）
       Field getDeclaredField(String name) ；
      // d. 获取所有的所有属性 （不包括继承）
       Field[] getDeclaredFields() ；
    // 最终都是获得一个Field类对象
    
    <-- 3. 获取类的方法（传入方法名 & 参数类型）-->
      // a. 获取指定的方法（公共 / 继承）
        Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes) ；
      // b. 获取所有的方法（公共 / 继承）
       Method[] getMethods() ；
      // c. 获取指定的方法 （ 不包括继承）
       Method getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes) ；
      // d. 获取所有的方法（ 不包括继承）
       Method[] getDeclaredMethods() ；
    // 最终都是获得一个Method类对象
    
    <-- 4. Class类的其他常用方法 -->
    getSuperclass(); 
    // 返回父类
    
    String getName(); 
    // 作用：返回完整的类名（含包名，如java.lang.String ） 
     
    Object newInstance(); 
    // 作用：快速地创建一个类的实例
    // 具体过程：调用默认构造器（若该类无默认构造器，则抛出异常 
    // 注：若需要为构造器提供参数需使用java.lang.reflect.Constructor中的newInstance（）

**步骤3：通过 `Constructor`类对象、`Method`类对象 & `Field`类对象分别获取类的构造函数、方法 & 属性的具体信息 & 进行操作**

// 即以下方法都分别属于`Constructor`类、`Method`类 & `Field`类的方法。
    
    <-- 1. 通过Constructor 类对象获取类构造函数信息 -->
      String getName()；// 获取构造器名
      Class getDeclaringClass()；// 获取一个用于描述类中定义的构造器的Class对象
      int getModifiers()；// 返回整型数值，用不同的位开关描述访问修饰符的使用状况
      Class[] getExceptionTypes()；// 获取描述方法抛出的异常类型的Class对象数组
      Class[] getParameterTypes()；// 获取一个用于描述参数类型的Class对象数组
    
    <-- 2. 通过Field类对象获取类属性信息 -->
      String getName()；// 返回属性的名称
      Class getDeclaringClass()； // 获取属性类型的Class类型对象
      Class getType()；// 获取属性类型的Class类型对象
      int getModifiers()； // 返回整型数值，用不同的位开关描述访问修饰符的使用状况
      Object get(Object obj) ；// 返回指定对象上 此属性的值
      void set(Object obj, Object value) // 设置 指定对象上此属性的值为value
     
    <-- 3. 通过Method 类对象获取类方法信息 -->
      String getName()；// 获取方法名
      Class getDeclaringClass()；// 获取方法的Class对象	
      int getModifiers()；// 返回整型数值，用不同的位开关描述访问修饰符的使用状况
      Class[] getExceptionTypes()；// 获取用于描述方法抛出的异常类型的Class对象数组
      Class[] getParameterTypes()；// 获取一个用于描述参数类型的Class对象数组
    
    <--额外：java.lang.reflect.Modifier类 -->
    // 作用：获取访问修饰符
    
    static String toString(int modifiers)	
    // 获取对应modifiers位设置的修饰符的字符串表示
    
    static boolean isXXX(int modifiers)	
    // 检测方法名中对应的修饰符在modifiers中的值

至此，关于`Java`反射机制的步骤说明已经讲解完毕。

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### 4.4 特别注意：访问权限问题 ###

*  背景  
    反射机制的默认行为受限于`Java`的访问控制

> 如，无法访问（ `private` ）私有的方法、字段

*  冲突  
    Java安全机制只允许查看任意对象有哪些域，而不允许读它们的值

> 若强制读取，将抛出异常

*  解决方案  
    脱离`Java`程序中安全管理器的控制、屏蔽Java语言的访问检查，从而脱离访问控制
 *  具体实现手段：使用`Field类`、`Method类` & `Constructor`类对象的`setAccessible()`

void setAccessible(boolean flag)	
    // 作用：为反射对象设置可访问标志
    // 规则：flag = true时 ，表示已屏蔽Java语言的访问检查，使得可以访问 & 修改对象的私有属性
    
    boolean isAccessible()	
    // 返回反射对象的可访问标志的值
    
    static void setAccessible(AccessibleObject[] array, boolean flag)	
    // 设置对象数组可访问标志

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# 5. 实例应用讲解 #

### 5.1 基础应用讲解 ###

##### 实例1：利用反射获取类的属性 & 赋值 #####

<-- 测试类定义-->
    public class Student {
    
        public Student() {
            System.out.println("创建了一个Student实例");
        }
        private String name;
    }
    
    <-- 利用反射获取属性 & 赋值 -->
            // 1. 获取Student类的Class对象
            Class studentClass = Student.class;
    
            // 2. 通过Class对象创建Student类的对象
            Object mStudent = studentClass.newInstance();
       
            // 3. 通过Class对象获取Student类的name属性
            Field f = studentClass.getDeclaredField("name");
     
            // 4. 设置私有访问权限
            f.setAccessible(true);
    
            // 5. 对新创建的Student对象设置name值
            f.set(mStudent, "Carson_Ho");
    
            // 6. 获取新创建Student对象的的name属性 & 输出
            System.out.println(f.get(mStudent));

*  测试结果

![image.png][]

*  Demo地址  
    [Carson\_Ho的Github地址：Reflect\_Demo1][Carson_Ho_Github_Reflect_Demo1]

##### 实例2：利用反射调用类的构造函数 #####

<-- 测试类定义-->
    
    public class Student {
    
        // 无参构造函数
        public Student() {
            System.out.println("调用了无参构造函数");
        }
    
        // 有参构造函数
        public Student(String str) {
            System.out.println("调用了有参构造函数");
        }
    
        private String name;
    }
    
    <-- 利用反射调用构造函数 -->
            // 1. 获取Student类的Class对象
            Class studentClass studentClass = Student.class;
    
            // 2.1 通过Class对象获取Constructor类对象，从而调用无参构造方法
            // 注：构造函数的调用实际上是在newInstance()，而不是在getConstructor()中调用
            Object mObj1 = studentClass.getConstructor().newInstance();
          
            // 2.2 通过Class对象获取Constructor类对象（传入参数类型），从而调用有参构造方法
            Object mObj2 = studentClass.getConstructor(String.class).newInstance("Carson");

*  测试结果

![示意图][027c69cefc8ab6ac5552fea0595784a1.png]

*  Demo地址  
    [Carson\_Ho的Github地址：Reflect\_Demo2][Carson_Ho_Github_Reflect_Demo1]

##### 实例3：利用反射调用类对象的方法 #####

<-- 测试类定义-->
    public class Student {
    
        public Student() {
            System.out.println("创建了一个Student实例");
        }
    
        // 无参数方法
        public void setName1 (){
            System.out.println("调用了无参方法：setName1（）");
        }
    
        // 有参数方法
        public void setName2 (String str){
            System.out.println("调用了有参方法setName2（String str）:" + str);
        }
    }
    
    <-- 利用反射调用方法 -->
            // 1. 获取Student类的Class对象
            Class studentClass = Student.class;
    
            // 2. 通过Class对象创建Student类的对象
            Object  mStudent = studentClass.newInstance();
    
            // 3.1 通过Class对象获取方法setName1（）的Method对象:需传入方法名
            // 因为该方法 = 无参，所以不需要传入参数
            Method  msetName1 = studentClass.getMethod("setName1");
    
            // 通过Method对象调用setName1（）：需传入创建的实例
            msetName1.invoke(mStudent);
    
            // 3.2 通过Class对象获取方法setName2（）的Method对象:需传入方法名 & 参数类型
            Method msetName2 = studentClass.getMethod("setName2",String.class);
    
           // 通过Method对象调用setName2（）：需传入创建的实例 & 参数值
            msetName2.invoke(mStudent,"Carson_Ho");

*  测试结果

![示意图][52b6ce0f71bfec9fa480b33d19d9c717.png]

*  Demo地址  
    [Carson\_Ho的Github地址：Reflect\_Demo3][Carson_Ho_Github_Reflect_Demo1]

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### 5.2 常见需求场景讲解 ###

### 实例1：工厂模式优化 ###

*  背景  
    采用简单工厂模式
 *  冲突
    
    1.  操作成本高：每增加一个接口的子类，必须修改工厂类的逻辑
    2.  系统复杂性提高：每增加一个接口的子类，都必须向工厂类添加逻辑

关于 简单工厂模式的介绍 & 使用 请看文章：[简单工厂模式（SimpleFactoryPattern）- 最易懂的设计模式解析][SimpleFactoryPattern_-]

*  解决方案  
    采用反射机制： **通过 传入子类名称 & 动态创建子类实例，从而使得在增加产品接口子类的情况下，也不需要修改工厂类的逻辑**
 *  实例演示

**步骤1. 创建抽象产品类的公共接口**

*Product.java*

abstract class Product{
        public abstract void show();
    }

**步骤2. 创建具体产品类（继承抽象产品类），定义生产的具体产品**

<-- 具体产品类A：ProductA.java -->
    public class  ProductA extends  Product{
    
        @Override
        public void show() {
            System.out.println("生产出了产品A");
        }
    }
    
    <-- 具体产品类B：ProductB.java -->
    public class  ProductB extends  Product{
    
        @Override
        public void show() {
            System.out.println("生产出了产品B");
        }
    }

**步骤3. 创建工厂类**

*Factory.java*

public class Factory {
    
        // 定义方法：通过反射动态创建产品类实例
        public static Product getInstance(String ClassName) {
    
            Product concreteProduct = null;
    
            try {
                
                // 1. 根据 传入的产品类名 获取 产品类类型的Class对象
                Class product_Class = Class.forName(ClassName);
                // 2. 通过Class对象动态创建该产品类的实例
                concreteProduct = (Product) product_Class.newInstance();
    
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            
            // 3. 返回该产品类实例
            return concreteProduct;
        }
        
    }

**步骤4：外界通过调用工厂类的静态方法（反射原理），传入不同参数从而创建不同具体产品类的实例**

*TestReflect.java*

public class TestReflect {
        public static void main(String[] args) throws Exception {
    
           // 1. 通过调用工厂类的静态方法（反射原理），从而动态创建产品类实例
            // 需传入完整的类名 & 包名
            Product concreteProduct = Factory.getInstance("scut.carson_ho.reflection_factory.ProductA");
    
            // 2. 调用该产品类对象的方法，从而生产产品
            concreteProduct.show();
        }
    }

*  展示结果

![示意图][c31ce9bd1b0cd388f37eccbfa35af895.png]

*  Demo地址  
    [Carson\_Ho的Github地址：Reflection\_Factory1][Carson_Ho_Github_Reflection_Factory1]

如此一来，**通过采用反射机制（通过 传入子类名称 & 动态创建子类实例）**，从而使得在增加产品接口子类的情况下，也不需要修改工厂类的逻辑 & 增加系统复杂度

### 实例2：应用了反射机制的工厂模式再次优化 ###

*  背景  
    在上述方案中，通过调用工厂类的静态方法（反射原理），从而动态创建产品类实例（该过程中：需传入完整的类名 & 包名）
 *  冲突  
    开发者 **无法提前预知** 接口中的子类类型 & 完整类名
 *  解决方案  
    通过 **属性文件的形式（ `Properties`）** 配置所要的子类信息，在使用时直接读取属性配置文件从而获取子类信息（完整类名）
 *  具体实现

**步骤1：创建抽象产品类的公共接口**

*Product.java*

abstract class Product{
        public abstract void show();
    }

**步骤2. 创建具体产品类（继承抽象产品类），定义生产的具体产品**

**步骤3. 创建工厂类**

*Factory.java*

**步骤4：创建属性配置文件**  
*Product.properties*

// 写入抽象产品接口类的子类信息（完整类名）
    ProductA = scut.carson_ho.reflection_factory.ProductA
    ProductB = scut.carson_ho.reflection_factory.ProductB

**步骤5：将属性配置文件 放到`src/main/assets`文件夹中**

> 若没`assets`文件夹，则自行创建

**步骤6：在动态创建产品类对象时，动态读取属性配置文件从而获取子类完整类名**  
*TestReflect.java*

public class TestReflect {
        public static void main(String[] args) throws Exception {
    
            // 1. 读取属性配置文件
            Properties pro = new Properties() ;
            pro.load(this.getAssets().open("Product.properties"));
                
            // 2. 获取属性配置文件中的产品类名
            String Classname = pro.getProperty("ProductA");
            
            // 3. 动态生成产品类实例
            Product concreteProduct = Factory.getInstance(Classname);
    
            // 4. 调用该产品类对象的方法，从而生产产品
            concreteProduct.show();
    
    }

*  测试结果

![示意图][bb2feb727dc8456e084019a983d0866c.png]

*  Demo地址  
    [Carson\_Ho的Github地址：Reflection\_Factory2][Carson_Ho_Github_Reflection_Factory1]

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### 实例3：动态代理 ###

通过反射机制实现动态代理，具体请看文章：[设计模式：这是一份全面 & 清晰的动态代理模式（Proxy Pattern）学习指南][_ _Proxy Pattern]

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# 6. 总结 #

*  本文全面讲解了`Java`反射机制（`Reflection`）的相关知识，相信您对`Java`反射机制已经非常了解
 *  下面我将继续对 `Android & Java`中的知识进行深入讲解 ，感兴趣的同学可以继续关注 [CSDN博客][CSDN] 与 微信公众号。  
    ![06b2ed0fbb8979f0aba34c14ede04b59.png][]

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[Java]: /images/20220521/5675df9a203443b09662e6ccf95f4cca.png
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[716f79ba22265d5556fda2136d5cbacf.png]: /images/20220521/7bc266e802a4402eba3710080b5047f8.png
[5f694152b8c39eba57a0aafc19b8ef51.png]: /images/20220521/54a2b0fa7e67484a823e543e6232c118.png
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[image.png]: /images/20220521/f646e7f2c2e34e2295fe0f0d35ba0115.png
[Carson_Ho_Github_Reflect_Demo1]: https://github.com/Carson-Ho/Reflect_Demo
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