Java反射

发表于 2022-06-12 更新于 2022-08-04 分类于 JAVA WHY 阅读次数：

作者：小牛呼噜噜 | https://xiaoniuhululu.com
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何为反射？

反射(Reflection)，是指Java程序具有在运行期分析类以及修改其本身状态或行为的能力。
通俗点说就是通过反射我们可以动态地获取一个类的所有属性和方法，还可以操作这些方法和属性。

实例的创建

一般我们创建一个对象实例Person zhang = new Person();
虽然是简简单单一句，但JVM内部的实现过程是复杂的：

将硬盘上指定位置的Person.class文件加载进内存
执行main方法时，在栈内存中开辟了main方法的空间（压栈-进栈），然后在main方法的栈区分配了一个变量zhang。
执行new，在堆内存中开辟一个实体类的空间，分配了一个内存首地址值
调用该实体类对应的构造函数，进行初始化（如果没有构造函数，Java会补上一个默认构造函数）。
将实体类的首地址赋值给zhang，变量zhang就引用了该实体。（指向了该对象）

类实例化

其中上图步骤1 Classloader(类加载器) 将class文件加载到内存中具体分为3个阶段：加载、连接、初始化

类的生命周期

而又在 加载阶段，类加载器会将类对应的.class文件中的二进制字节流读入到内存中，将这个字节流转化为方法区的运行时数据结构，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象（类相关的信息），作为对方法区中这些数据的访问入口

详情可看笔者之前写过的2篇文章：

https://mp.weixin.qq.com/s/tsbDfyYLqr3ctzwHirQ8UQ

https://mp.weixin.qq.com/s/v91bqRiKDWWgeNl1DIdaDQ

然后再通过类的实例来执操作类的方法和属性，比如zhang.eat(), zhang.getHeight()等等

如果我们使用反射的话，我们需要拿到该类Person的Class对象，再通过Class对象来操作类的方法和属性或者创建类的实例

1 2	Class personClass = Person.class;//这边只是举一个例子，获取class对象的多种方式，本文后面再慢慢道来 Object person = personClass.newInstance();

我们可以发现 通过new创建类的实例和反射创建类的实例，都绕不开.class文件和 Class类的。

.class文件

首先我们得先了解一下什么是.class文件
举个简单的例子，创建一个Person类：

public class Person {
    /**
     * 状态 or 属性
     */
    String name;//姓名
    String sex;//性别
    int height;//身高
    int weight;//体重
    
    /**
     * 行为
     */
    public void sleep(){
    	System.out.println(this.name+"--"+ "睡觉");
	}
    public void eat(){
        System.out.println("吃饭");
    }
    public void Dance(){
        System.out.println("跳舞");
    }
}

我们执行javac命令，编译生成Person.class文件

然后我们通过vim 16进制打开它

#打开file文件
vim Person.class 

#在命令模式下输入.. 以16进制显示
 :%!xxd
 
#在命令模式下输入.. 切换回默认显示
:%!xxd -r

不同的操作系统，不同的 CPU 具有不同的指令集，JAVA能做到平台无关性，依靠的就是 Java 虚拟机。

.java源码是给人类读的，而.class字节码是给JVM虚拟机读的，计算机只能识别 0 和 1组成的二进制文件，所以虚拟机就是我们编写的代码和计算机之间的桥梁。

虚拟机将我们编写的 .java 源程序文件编译为字节码格式的 .class 文件，字节码是各种虚拟机与所有平台统一使用的程序存储格式，class文件主要用于解决平台无关性的中间文件

Person.class文件包含Person类的所有信息

Class类

我们来看下jdk的官方api文档对其的定义：

Class类的类表示正在运行的Java应用程序中的类和接口。枚举是一种类，一个注释是一种界面。每个数组也属于一个反映为类对象的类，该对象由具有相同元素类型和维数的所有数组共享。

原始Java类型（ boolean ， byte ， char ， short ， int ， long ， float和double ），和关键字void也表示为类对象。

类没有公共构造函数。相反，类对象由Java虚拟机自动构建，因为加载了类，并且通过调用类加载器中的defineClass方法。。

java 万物皆Class类

我们来看下Class类的源码，源码太多了，挑了几个重点：

public final class Class<T> implements java.io.Serializable,
                              GenericDeclaration,
                              Type,
                              AnnotatedElement {
    private static final int ANNOTATION= 0x00002000;
    private static final int ENUM      = 0x00004000;
    private static final int SYNTHETIC = 0x00001000;

    private static native void registerNatives();
    static {
        registerNatives();
    }

    /*
     * Private constructor. Only the Java Virtual Machine creates Class objects.
     * This constructor is not used and prevents the default constructor being
     * generated.
     */
    private Class(ClassLoader loader) { //私有化的 构造器
        // Initialize final field for classLoader.  The initialization value of non-null
        // prevents future JIT optimizations from assuming this final field is null.
        classLoader = loader;
    }
    ...
    
    // reflection data that might get invalidated when JVM TI RedefineClasses() is called
    private static class ReflectionData<T> {
        volatile Field[] declaredFields;//字段
        volatile Field[] publicFields;
        volatile Method[] declaredMethods;//方法
        volatile Method[] publicMethods;
        volatile Constructor<T>[] declaredConstructors;//构造器
        volatile Constructor<T>[] publicConstructors;
        // Intermediate results for getFields and getMethods
        volatile Field[] declaredPublicFields;
        volatile Method[] declaredPublicMethods;
        volatile Class<?>[] interfaces;//接口

        // Value of classRedefinedCount when we created this ReflectionData instance
        final int redefinedCount;

        ReflectionData(int redefinedCount) {
            this.redefinedCount = redefinedCount;
        }
    }
      ...
     //注释数据
     private volatile transient AnnotationData annotationData;

    private AnnotationData annotationData() {
        while (true) { // retry loop
            AnnotationData annotationData = this.annotationData;
            int classRedefinedCount = this.classRedefinedCount;
            if (annotationData != null &&
                annotationData.redefinedCount == classRedefinedCount) {
                return annotationData;
            }
            // null or stale annotationData -> optimistically create new instance
            AnnotationData newAnnotationData = createAnnotationData(classRedefinedCount);
            // try to install it
            if (Atomic.casAnnotationData(this, annotationData, newAnnotationData)) {
                // successfully installed new AnnotationData
                return newAnnotationData;
            }
        }
    } 
    ...

我们可以发现Class也是类，是一种特殊的类，将我们定义普通类的共同的部分进行抽象，保存类的属性，方法，构造方法，类名、包名、父类，注解等和类相关的信息。

Class类的构造方法是private，只有JVM能创建Class实例，我们开发人员是无法创建Class实例的，JVM在构造Class对象时，需要传入一个类加载器。

类也是可以用来存储数据的，Class类就像普通类的模板一样，用来保存“类所有相关信息”的类。

我们来继续看这个利用反射的例子：Class personClass = Person.class;

由于JVM为加载的 Person.class创建了对应的Class实例，并在该实例中保存了该 Person.class的所有信息，因此，如果获取了Class实例（personClass ），我们就可以通过这个Class实例获取到该实例对应的Person.class 的所有信息。

反射的使用

获取Class实例4种方式

通过对象调用 getClass() 方法来获取

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Person p1 = new Person();
Class c1 = p1.getClass();

像这种已经创建了对象的，再去进行反射的话，有点多此一举。
一般是用于传过来的是Object类型的对象，不知道具体是什么类，再用这种方式比较靠谱

类名.class

1	Class c2 = Person.class;

这种需要提前知道导入类的包，程序性能更高，比较常用，通过此方式获取 Class 对象，Person类不会进行初始化

通过 Class 对象的 forName() 静态方法来获取，最常用的一种方式

1	Class c3 = Class.forName("com.zj.demotest.domain.Person");

这种只需传入类的全路径，Class.forName会进行初始化initialization步骤，即静态初始化（会初始化类变量，静态代码块）。

通过类加载器对象的loadClass()方法

public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Person p1 = new Person();
        Class c1 = p1.getClass();

        Class c2 = Person.class;

        Class c3 = Class.forName("com.zj.demotest.domain.Person");

        //第4中方式，类加载器
        ClassLoader classLoader = TestReflection.class.getClassLoader();
        Class c4 = classLoader.loadClass("com.zj.demotest.domain.Person");


        System.out.println(c1.equals(c2));
        System.out.println(c2.equals(c3));
        System.out.println(c3.equals(c4));
        System.out.println(c1.equals(c4));
    }
}

loadClass的源码：

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public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    return loadClass(name, false);
}

loadClass 传入的第二个参数是”false”,因此它不会对类进行连接这一步骤，根据类的生命周期我们知道，如果一个类没有进行验证和准备的话，是无法进行初始化过程的，即不会进行类初始化，静态代码块和静态对象也不会得到执行

我们将c1,c2,c3,c4进行 equals 比较

System.out.println(c1.equals(c2));
System.out.println(c2.equals(c3));
System.out.println(c3.equals(c4));
System.out.println(c1.equals(c4));

结果：

true
true
true
true

因为Class实例在JVM中是唯一的，所以，上述方法获取的Class实例是同一个实例，一个类在 JVM 中只会有一个 Class 实例

Class类常用的API

日常开发的时候，我们一般使用反射是为了 创建类实例（对象）、反射获取类的属性和调用类的方法

getName()	获得类的完整名字
getFields()	获得类的public类型的属性
getDeclaredFields()	获得类的所有属性。包括private 声明的和继承类
getMethods()	获得类的public类型的方法
getDeclaredMethods()	获得类的所有方法。包括private 声明的和继承类
getMethod(String name, Class[] parameterTypes)	获得类的特定方法，name参数指定方法的名字，parameterTypes 参数指定方法的参数类型。
getConstructors()	获得类的public类型的构造方法
getConstructor(Class[] parameterTypes)	获得类的特定构造方法，parameterTypes 参数指定构造方法的参数类型
newInstance()	通过类的不带参数的构造方法创建这个类的一个对象
getSuperClass()	用于返回表示该 Class 表示的任何类、接口、原始类型或任何 void 类型的超类的Class(即父类)。
…	…

我们这边就不全部展开讲了，挑几个重点讲解一下

创建对象

调用class对象的newInstance()方法

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Class c1 = Class.forName("com.zj.demotest.domain.Person");
Person p1 = (Person) c1.newInstance();
p1.eat();

结果：

吃饭

注意：Person类必须有一个无参的构造器且类的构造器的访问权限不能是private

使用指定构造方法Constructor来创建对象

如果我们非得让Person类的无参构造器设为private呢，我们可以获取对应的Constructor来创建对象

Class c1 = Class.forName("com.zj.demotest.domain.Person");
Constructor<Person> con =  c1.getDeclaredConstructor();
con.setAccessible(true);//允许访问
Person p1 = con.newInstance();
p1.eat();

结果：

吃饭

注意：setAccessible()方法能在运行时压制Java语言访问控制检查(Java language access control checks)，从而能任意调用被私有化保护的方法、域和构造方法。

由此我们可以发现** 单例模式不再安全，反射可破之！**

访问属性

Field getField(name)	根据字段名获取某个public的field（包括父类）
Field getDeclaredField(name)	根据字段名获取当前类的某个field（不包括父类）
Field[] getFields()	获取所有public的field（包括父类）
Field[] getDeclaredFields()	获取当前类的所有field（不包括父类）

我们来看一个例子：

public class TestReflection3 {
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Object p = new Student("li hua");
        Class c = p.getClass();
        Field f = c.getDeclaredField("name");//获取属性
        f.setAccessible(true);//允许访问
        Object val= f.get(p);
        System.out.println(val);
    }


    static class Student {
        private String name;

        public Student(String name) {
            this.name = name;
        }
    }
}

结果：

li hua

我们可以发现反射可以破坏类的封装

调用方法

Method getMethod(name, Class…)	获取某个public的Method（包括父类）
Method getDeclaredMethod(name, Class…)	获取当前类的某个Method（不包括父类）
Method[] getMethods()	获取所有public的Method（包括父类）
Method[] getDeclaredMethods()	获取当前类的所有Method（不包括父类）

我们来看一个例子：

public class TestReflection4 {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //获取私有方法，需要传参：方法名和参数
        Method h = Student.class.getDeclaredMethod("setName",String.class);

        h.setAccessible(true);

        Student s1 =new Student();
        System.out.println(s1.name);
        //传入目标对象，调用对应的方法
        h.invoke(s1,"xiao ming");
        System.out.println(s1.name);
    }


    static class Student {
        private String name;

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

结果：

null

xiao ming

我们发现获取方法getMethod()时，需要传参 方法名和参数
这是因为.class文件中通常有不止一个方法，获取方法getMethod()时,会去调用searchMethods方法循环遍历所有Method，然后根据 方法名和参数类型 找到唯一符合的Method返回。

反射调用类方法

我们知道类的方法是在JVM的方法区中，当我们new 多个对象时，属性会另外开辟堆空间存放，而方法只有一份，不会额外消耗内存，方法就像一套指令模板，谁都可以传入数据交给它执行，然后得到对应执行结果。
method.invoke(obj, args)时传入目标对象，即可调用对应对象的方法

如果获取到的Method表示一个静态方法，调用静态方法时，无需指定实例对象，所以invoke方法传入的第一个参数永远为null, method.invoke(null, args)

那如果方法重写了呢，反射依旧遵循多态的原则。

反射的应用场景

如果平时我们只是写业务代码,很少会接触到直接使用反射机制的场景，毕竟我们可以直接new一个对象，性能比反射要高。

但如果我们是工具框架的开发者,那一定非常熟悉,像 Spring/Spring Boot、MyBatis 等等框架中都大量使用反射机制，反射被称为框架的灵魂

比如：

Mybatis Plus可以让我们只写接口，不写实现类，就可以执行SQL
开发项目时，切换不同的数据库只需更改配置文件即可
类上加上@Component注解，Spring就帮我们创建对象
在Spring我们只需 @Value注解就读取到配置文件中的值
等等

扩展：反射配置文件

我们来模拟一个配置高于编码的例子

新建my.properties，将其放在resources的目录下

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#Person类的包路径
className=com.zj.demotest.domain.Person 
methodName=eat

Person类还是本文一直用的，在文章的开头有

最后我们来编写一个测试类

public class TestProp {
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException {

        Properties properties = new Properties();

        ClassLoader classLoader = TestProp.class.getClassLoader();
        InputStream inputStream = classLoader.getResourceAsStream("my.properties");// 加载配置文件
        properties.load(inputStream);

        String className = properties.getProperty("className");
        System.out.println("配置文件中的内容：className="+className);
        String methodName = properties.getProperty("methodName");
        System.out.println("配置文件中的内容：methodName="+methodName);

        Class name = Class.forName(className);
        Object object = name.newInstance();

        Method method = name.getMethod(methodName);
        method.invoke(object);
    }
}

结果：

配置文件中的内容：className=com.zj.demotest.domain.Person

配置文件中的内容：methodName=eat

吃饭

紧接着，我们修改配置文件:

1 2	className=com.zj.demotest.domain.Person methodName=eat

结果变为：

配置文件中的内容：className=com.zj.demotest.domain.Person

配置文件中的内容：methodName=Dance

跳舞

是不是很方便？

尾语

反射机制是一种功能强大的机制，让Java程序具有在运行期分析类以及修改其本身状态或行为的能力。
对于特定的复杂系统编程任务，它是非常必要的，为各种框架提供开箱即用的功能提供了便利，为解耦合提供了保障机制。
但是世事无绝对，反射相当于一系列解释操作，通知 JVM 要做的事情，性能比直接访问对象要差点（JIT优化后，对于框架来说实际是影响不大的），还会增加程序的复杂性等（明明直接new一下就能解决的事情，非要写一大段代码）。

本篇文章到这里就结束啦，很感谢你能看到最后，如果喜欢的话，点赞收藏转发，欢迎关注！更多精彩的文章