第2部分: 引入反射

墨蓝 2022-08-01 01:19 97阅读 0赞

> 反射使您的程序代码能够接入装载到JVM中的类的内部信息，允许您编写与执行时，而不是源代码中选定的类协作的代码。这使反射成为构建灵活的应用的主要工具。但需注意的是 --如果使用不当，反射的成本很高。在Java平台系列的第2部分中，软件顾问Dennis Sosnoski介绍了如何使用反射，以及某些相关的成本。您还将找到JavaReflection API如何使您能够在运行时关联对象。

在“ [Java编程的动态性，第1部分][Java_1] ，”我为您介绍了Java编程类和类装入。该篇文章介绍了一些Java二进制类格式的相关信息。这个月我将阐述使用Java反射API来在运行时接入和使用一些相同信息的基础。为了使已经熟知反射基础的开发人员关注本文，我将在文章中包括反射性能如何与直接接入相比较。

使用反射不同于常规的Java编程，其中它与 *元数据* \--描述其它数据的数据协作。Java语言反射接入的特殊类型的原数据是JVM中类和对象的描述。反射使您能够运行时接入广泛的类信息。它甚至使您能够读写字段,调用运行时选择的类的方法。

反射是一种强大的工具。它使您能够创建灵活的代码，这些代码可以在运行时装配，无需在组件之间进行源代表链接。但反射的某些方面存在一些疑问。在本文中，我将深入讨论为什么您可能 *不* 希望在程序中使用反射，以及您应该这样做的理由。在了解了权衡性分析之后，您可以自行决定是否利大于弊。

初学者的类

使用反射的启点总是 `java.lang.Class` 实例。如果您希望与预先定义的类协作，那么Java语言提供一种直接获得 `Class` 实例的简便快捷方式：

<table style="width: 40%;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><img src="http://www.ibm.com/i/c.gif" alt="" width="10" height="1"> </td> 
   <td> 
    <table style="width: 100%;"> 
     <tbody> 
      <tr> 
       <td><a rel="nofollow"><strong>不要错过本系列的其它文章</strong> </a><br> <p>第1部分，“ <a href="http://blog.csdn.net/yuanbingze/archive/2009/10/10/4652068.aspx" rel="nofollow">类和类装入</a> ” </p> </td> 
      </tr> 
     </tbody> 
    </table> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table style="width: 400px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>Class clas = MyClass.class;</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

当您使用这一项技术时，装入类涉及的所有工作在幕后进行。但是，如果您需要在运行时从某些外部源读取类名，这种方法并不适合。实际上，您需要使用一个类装入器来查找类信息。以下介绍一种方法：

<table style="width: 100%;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>// "name" is the class name to load
Class clas = null;
try {
  clas = Class.forName(name);
} catch (ClassNotFoundException ex) {
  // handle exception case
}
// use the loaded class</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

如果已经装入了类，您将得到现有的 `Class` 信息。如果类未被装入，类装入器将现在装入并返回新创建的类实例。

基于类的反射

`Class` 对象为您提供接入类元数据的反射的所有基本hook。这类元数据包括关于类自身的信息，如包和类的父类，以及该类实施的接口。它还包括该类定义的构造函数、字段和方法的详细信息。这些最后的项目都是编程中最经常使用的项目，因此我将在本小节的稍后部分给出一些与它们协作的实例。

对于以下三类组件中的任何一类来说 -- 构造函数、字段和方法 -- `java.lang.Class` 提供四种独立的反射调用，以不同的方式来获得信息。调用都遵循一种标准格式。以下是用于查找构造函数的一组反射调用：

*  `Constructor getConstructor(Class[] params)` \-- 获得使用特殊的参数类型的公共构造函数，
 *  `Constructor[] getConstructors()` \-- 获得类的所有公共构造函数
 *  `Constructor getDeclaredConstructor(Class[] params)` \-- 获得使用特定参数类型的构造函数(与接入级别无关)
 *  `Constructor[] getDeclaredConstructors()` \-- 获得类的所有构造函数(与接入级别无关)

每类这些调用都返回一个或多个 `java.lang.reflect.Constructor` 函数。这种 `Constructor` 类定义 `newInstance` 方法，它采用一组对象作为其唯一的参数，然后返回新创建的原始类实例。该组对象是用于构造函数调用的参数值。作为解释这一工作流程的实例，假设您有一个 `TwoString` 类和一个使用一对 `String` s的构造函数，如清单1所示：

**清单1:从一对字符串创建的类&\#160**

<table style="width: 100%;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>public class TwoString {
    private String m_s1, m_s2;
    public TwoString(String s1, String s2) {
        m_s1 = s1;
        m_s2 = s2;
&nbsp;   }
}</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

清单2中的代码获得构造函数并使用它来创建使用 `String` s `"a"` 和 `"b"` 的 `TwoString` 类的一个实例:

**清单2：构造函数的反射调用**

<table style="width: 100%;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>    Class[] types = new Class[] { String.class, String.class };
    Constructor cons = TwoString.class.getConstructor(types);
    Object[] args = new Object[] { "a", "b" };
    TwoString ts = cons.newInstance(args);</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

清单2中的代码忽略了不同反射方法抛出的多种可能选中的例外类型。例外在 Javadoc API 描述中详细记录，因此为了简明起见，我将在所有程序实例中忽略它们。

尽管我在讨论构造函数主题，Java编程语言还定义了一种您可以用来使用 *无参数* （或缺省）构造函数创建类的一个实例的特殊快捷方式。这种快捷方式嵌入到 `Class` 定义中，如下：

`Object newInstance()` \-- 使用缺省函数创建新的实例

即使这种方法只允许您使用一种特殊的构造函数，如果这正是您需要的，那么它将提供一种非常方便的快捷方式。当与JavaBeans协作时这项技术尤其有用，JavaBeans需要定义公共、无参数构造函数。

通过反射增加字段

获得字段信息的 `Class` 反射调用不同于那些用于接入构造函数的调用，在参数类型数组中使用了字段名：

*  `Field getField(String name)` \-- 获得命名的公共字段
 *  `Field[] getFields()` \-- 获得类的所有公共字段
 *  `Field getDeclaredField(String name)` \-- 获得类声明的命名的字段
 *  `Field[] getDeclaredFields()` \-- 获得类声明的所有字段

尽管与构造函数调用类似，在字段方面仍存在一个重要的区别：前两个变量返回可以通过类接入的公共字段的信息 -- 即使它们来自于祖先类。后两个变量返回类直接声明的字段的信息 -- 与字段的接入类型无关。

调用返回的 `java.lang.reflect.Field` 实例定义所有主类型的 `getXXX` 和 `setXXX` 方法，以及与对象引用协作的通用 `get` 和 `set` 方法。您可以根据实际的字段类型自行选择一种适当的方法，而 `getXXX` 方法将自动处理扩展转换(如使用 `getInt` 方法来检索一个字节值)。

清单3显示使用字段反射方法的一个实例，以方法的格式根据名称增加对象的 `int` 字段 ：

**清单3：通过反射增加一个字段**

<table style="width: 100%;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>public int incrementField(String name, Object obj) throws... {
    Field field = obj.getClass().getDeclaredField(name);
    int value = field.getInt(obj) + 1;
    field.setInt(obj, value);
    return value;
}</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

这种方法开始展示了反射带来的某些灵活性。与特定的类协作不同， `incrementField` 使用传 入的对象的 `getClass` 方法来查找类信息，然后直接在该类中查找命名的字段。

通过反射增加方法

获得方法信息的 `Class` 反射调用与用于构造函数和字段的调用非常类似：

*  `Method getMethod(String name, Class[] params)` \-- 使用特定的参数类型，获得命名的公共方法
 *  `Method[] getMethods()` \-- 获得类的所有公共方法
 *  `Method getDeclaredMethod(String name, Class[] params)` \-- 使用特写的参数类型，获得类声明的命名的方法
 *  `Method[] getDeclaredMethods()` \-- 获得类声明的所有方法

与字段调用一样，前两个变量返回可以通过类接入的公共方法的信息 -- 即使它们来自于祖先类。后两个变量返回类声明的方法的信息，与方法的接入类型无关。

调用返回的 `java.lang.reflect.Method` 实例定义一种 `invoke` 方法，您可以用来在正在定义的类的一个实例上调用方法。这种 `invoke` 方法使用两个参数，为调用提供类实例和参数值数组。

清单4进一步阐述字段实例，显示反射正在运行的方法的一个实例。这种方法增加一个定义有 `get` 和 `set` 方法的 `int` JavaBean属性。例如，如果对象为一个整数 `count` 值定义了 `getCount` 和 `setCount` 方法，您可以在一次调用中向该方法传递“count”作为 `name` 参数，以增加该值。

**清单4：通过反射增加一个JavaBean 属性**

<table style="width: 100%;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>public int incrementProperty(String name, Object obj) {
    String prop = Character.toUpperCase(name.charAt(0)) +
        name.substring(1);
    String mname = "get" + prop;
    Class[] types = new Class[] {};
    Method method = obj.getClass().getMethod(mname, types);
    Object result = method.invoke(obj, new Object[0]);
    int value = ((Integer)result).intValue() + 1;
    mname = "set" + prop;
    types = new Class[] { int.class };
    method = obj.getClass().getMethod(mname, types);
    method.invoke(obj, new Object[] { new Integer(value) });
   &nbsp;return value;
}</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

为了遵循JavaBeans惯例，我把属性名的首字母改为大写，然后预先考虑 `get` 来创建读方法名， `set` 来创建写方法名。JavaBeans读方法仅返回值，而写方法使用值作为唯一的参数，因此我规定方法的参数类型以进行匹配。最后，该惯例要求方法为公共，因此我使用查找格式，查找类上可调用的公共方法。

这一实例是第一个我使用反射传递主值的实例，因此现在我们来看看它是如何工作的。基本原理很简单：无论什么时候您需要传递主值，只需用相应封装类的一个实例（在 `java.lang` 包中定义）来替换该类主值。这可以应用于调用和返回。因此，当我在实例中调用 `get` 方法时，我预计结果为实际 `int` 属性值的 `java.lang.Integer` 封装。

反射数组

数组是Java编程语言中的对象。与所有对象一样，它们都有类。如果您有一个数组，使用标准 `getClass` 方法，您可以获得该数组的类，就象任何其它对象一样。但是， *不通过* 现有的实例来获得类不同于其它类型的对象。即使您有一个数组类，您也不能直接对它进行太多的操作 -- 反射为标准类提供的构造函数接入不能用于数组，而且数组没有任何可接入的字段，只有基本的 `java.lang.Object` 方法定义用于数组对象。

数组的特殊处理使用 `java.lang.reflect.Array` 类提供的静态方法的集合。该类中的方法使您能够创建新数组，获得数组对象的长度，读和写数组对象的索引值。

清单5显示了一种重新调整现有数组大小的有效方法。它使用反射来创建相同类型的新数组，然后在返回新数组之前，在老数组中复制所有数据。

**清单 5：通过反射来扩展一个数组**

<table style="width: 100%;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>public Object growArray(Object array, int size) {
    Class type = array.getClass().getComponentType();
    Object grown = Array.newInstance(type, size);
    System.arraycopy(array, 0, grown, 0,
        Math.min(Array.getLength(array), size));
    return grown;
}</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

安全性和反射

在处理反射时安全性是一个较复杂的问题。反射经常由框架型代码使用，由于这一点，您可能希望框架能够全面接入您的代码，无需考虑常规的接入限制。但是，在其它情况下，不受控制的接入会带来严重的安全性风险，如当代码在不值得信任的代码共享的环境中运行时。

由于这些互相矛盾的需求，Java编程语言定义一种多级别方法来处理反射的安全性。基本模式是对反射实施与应用于源代码接入相同的的限制：

*  从任意位置到类公共组件的接入
 *  类自身外部无任何到私有组件的接入
 *  受保护和打包（缺省接入）组件的有限接入

不过－至少某些时候，围绕这些限制有一种简单的方法。我在前面实例中使用的 `Constructor` 、 `Field` 和 `Method` 类都扩展了一个普通的基本类--&\#160 `java.lang.reflect.AccessibleObject` 类。该类定义一种 `setAccessible` 方法，使您能够启动或关闭对这些类中其中一个类的实例的接入检测。唯一的问题在于如果使用了安全性管理器，它将检测正在关闭接入检测的代码是否许可了这样做。如果未许可，安全性管理器抛出一个例外。

清单6展示了一个程序，在 清单 1 `TwoString` 类的一个实例上使用反射来显示安全性正在运行：

**清单 6：反射安全性正在运行**

<table style="width: 100%;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>public class ReflectSecurity {
    public static void main(String[] args) {
       &nbsp;try {
            TwoString ts = new TwoString("a", "b");
            Field field = clas.getDeclaredField("m_s1");
//          field.setAccessible(true);
            System.out.println("Retrieved value is " +
                field.get(inst));
        } catch (Exception ex) {
            ex.printStackTrace(System.out);
        }
    }
}</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

如果您编译了这一程序，不使用任何特定参数直接从命令行运行，它将在 `field.get(inst)` 调用中抛出一个 `IllegalAccessException` 。如果您未注释 `field.setAccessible(true)` 代码行，那么重新编译并重新运行该代码，它将取得成功。最后，如果您在命令行添加了JVM参数 `-Djava.security.manager` 以实现安全性管理器，它将再次失败，除非您定义了 `ReflectSecurity` 类的许可权限。

反射性能

反射是一种强大的工具，但也存在一些不足。一个主要的缺点是对性能有影响。使用反射基本上是一种解释操作，您可以告诉JVM您希望做什么并且它满足您的要求。这类操作总是慢于只直接执行相同的操作。为了阐述使用反射的性能成本，我为本文准备了一组基准程序。

清单7是字段接入性能测试的一个摘用，包括基本的测试方法。每种方法测试字段接入的一种形式 -- `accessSame` 与同一对象的成员字段协作， `accessOther` 使用可直接接入的另一对象的字段， `accessReflection` 使用可通过反射接入的另一对象的字段。在每种情况下，方法执行相同的计算 -- 循环中简单的加/乘顺序。

**清单 7：字段接入性能测试代码**

<table style="width: 100%;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>public int accessSame(int loops) {
    m_value = 0;
    for (int index = 0; index &lt; loops; index++) {
        m_value = (m_value + ADDITIVE_VALUE) *
            MULTIPLIER_VALUE;
    }
    return m_value;
}
public int accessReference(int loops) {
    TimingClass timing = new TimingClass();
    for (int index = 0; index &lt; loops; index++) {
        timing.m_value = (timing.m_value + ADDITIVE_VALUE) *
            MULTIPLIER_VALUE;
    }
    return timing.m_value;
}
public int accessReflection(int loops) throws Exception {
    TimingClass timing = new TimingClass();
    try {
        Field field = TimingClass.class.
            getDeclaredField("m_value");
        for (int index = 0; index &lt; loops; index++) {
            int value = (field.getInt(timing) +
                ADDITIVE_VALUE) * MULTIPLIER_VALUE;
            field.setInt(timing, value);
        }
        return timing.m_value;
    } catch (Exception ex) {
        System.out.println("Error using reflection");
        throw ex;
    }
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

测试程序重复调用每种方法，使用一个大循环数，从而平均多次调用的时间衡量结果。平均值中不包括每种方法第一次调用的时间，因此初始化时间不是结果中的一个因素。在为本文进行的测试中，每次调用时我使用1000万的循环数，在1GHz PIIIm系统上运行。三个不同Linux JVM的计时结果如图1所示。所有测试使用每个JVM的缺省设置。

**图 1：字段接入时间**   
![Field access times][]

上表的对数尺度可以显示所有时间，但减少了差异看得见的影响。在前两副图中(Sun JVM)，使用反射的执行时间超过使用直接接入的1000倍以上。通过比较，IBM JVM可能稍好一些，但反射方法仍旧需要比其它方法长700倍以上的时间。任何JVM上其它两种方法之间时间方面无任何显著差异，但IBM JVM几乎比Sun JVM快一倍。最有可能的是这种差异反映了Sun Hot Spot JVM的专业优化，它在简单基准方面表现得很糟糕。

除了字段接入时间测试之外，我还进行了相同的方法调用时间测试。在方法调用中，我试用了与字段接入相同的三种接入变量，并增加了使用无参数方法变量，而不是在方法调用中传递和返回一个值。清单8显示了用于测试调用传递和返回值形式的三种方法的代码。

**清单 8：方法接入性能测试代码**

<table style="width: 100%;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>public int callDirectArgs(int loops) {
    int value = 0;
    for (int index = 0; index &lt; loops; index++) {
        value = step(value);
    }
    return value;
}
public int callReferenceArgs(int loops) {
    TimingClass timing = new TimingClass();
    int value = 0;
    for (int index = 0; index &lt; loops; index++) {
        value = timing.step(value);
    }
    return value;
}
public int callReflectArgs(int loops) throws Exception {
    TimingClass timing = new TimingClass();
    try {
        Method method = TimingClass.class.getMethod
            ("step", new Class [] { int.class });
        Object[] args = new Object[1];
        Object value = new Integer(0);
        for (int index = 0; index &lt; loops; index++) {
            args[0] = value;
            value = method.invoke(timing, args);
        }
        return ((Integer)value).intValue();
    } catch (Exception ex) {
        System.out.println("Error using reflection");
        throw ex;
    }
}
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

图 2显示了我从方法调用中获得的计时结果。反射远慢于直接接入。差异不象字段接入那么大，但是，在不使用参数的情况下，范围从Sun 1.3.1 JVM的数百倍到IBM JVM的不到30倍。在所有JVM上，使用参数的反射方法调用的测试性能慢于不使用参数的调用。由于传递和返回 `int` 值需要的 `java.lang.Integer` 封装，这可能是局部的。由于 `Integer` s是不可变的，每种方法返回提出了一种新的需求，它将增加大量的开销。

**图 2：方法调用时间**   
![Method call times][]

反射性能是Sun开发1.4 JVM时关注的一个方面，它在反射方法调用结果中显示。在这类操作的性能方面，Sun 1.4.1 JVM显示了比1.3.1版本很大的改进，在我的测试中运行速度大约是1.3.1版本的开部。在这类简单的测试中，IBM 1.4.0 JVM再次获得了更好的成绩，但是只比Sun 1.4.1 JVM快两到三倍。

我还为创建使用反射的对象编写了类似的计时测试程序，但这种情况下的差异不象字段和方法调用情况下那么显著。使用 `newInstance()` 调用创建一个简单的 `java.lang.Object` 实例耗用的时间大约是在Sun 1.3.1 JVM上使用 `new Object()` 的12倍，是在IBM 1.4.0 JVM的四倍，只是Sun 1.4.1 JVM上的两部。使用 `Array.newInstance(type, size)` 创建一个数组耗用的时间是任何测试的JVM上使用 `new type[size]` 的两倍，随着数组大小的增加，差异逐步缩小。

\* 本文来自网络，非作者本人所作

[Java_1]: http://blog.csdn.net/yuanbingze/archive/2009/10/10/4652068.aspx
[Field access times]: /images/20220801/cba7a46114ca42528e0226dec17bdd1e.png
[Method call times]: /images/20220801/ef3aebf071024a78a0611f4d1ef42cf0.png