Java反射机制深度剖析

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Java反射机制是Java语言中一种很重要的机制，可能在工作中用到的机会不多，但是在很多框架中都有用到这种机制。我们知道Java是一门静态语言，在程序编译时变量的数据类型都已经确定，那么在Java运行时环境中，对于任意一个类，我们能否知道这个类有哪些属性和方法？对于任意一个对象，能否调用它的任意一个方法？答案是肯定的。这种动态获取类的信息以及动态调用对象的方法的功能来自于Java的反射机制（Reflection）。

1、Java反射机制提供的功能

主要提供了以下几个功能：

1）在运行时判断任意一个对象所属的类；

2）在运行时构造任意一个类的对象；

3）在运行时判断任意一个类所具有的成员变量和方法；

4）在运行时调用任意一个对象的方法。

反射让Java具有了动态的特性，这种机制允许程序在运行时透过Reflection API获取任意一个已知名称的类的内部信息，包括成员变量（fields）、方法（methods）、实现的接口（interfaces）、Java语言修饰符（modifiers）以及它的父类（superclass）等等，并可在运行时改变成员变量的内容或调用方法。

2、Java Reflection API

在JDK中，提供了以下类来实现Java反射机制，这些类都位于java.lang.reflect包下：

Class类：代表一个类（注意：Class类位于java.lang包下）；

Field类：代表类的成员变量；

Method类：代表类的方法；

Constructor类：代表类的构造方法；

Array类：提供了动态创建数组，以及访问数组的元素的静态方法。

通过API提供的这些类里的方法，我们可以动态获取想要的类的内部信息。

3、获取类的Class对象

Class类的实例表示正在运行的Java程序中的类和接口，每一个类都有对应的Class对象，不管一个类生成了多少个对象，这些对象都对应内存里的同一个Class对象。Class类没有public的构造方法，Class对象是在加载类时由Java虚拟机自动构建的。

有以下几种方式来获取一个类的Class对象：

1）Class类提供的静态方法：forName(String className)，参数className表示所需类的完全限定名。

 public class GetClassObject {

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

         Class<?> classType = Class.forName("java.lang.String");

         System.out.println(classType);//输出：class java.lang.String
     }

 }

2）运用.class语法

 public class GetClassObject {

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

         Class<?> classType = String.class;

         System.out.println(classType);//输出：class java.lang.String
     }

 }

3）Object类提供的方法：getClass()

 public class GetClassObject {

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

         Map map = new HashMap();
         Class<?> classType = map.getClass();

         System.out.println(classType);//输出：class java.util.HashMap
     }

 }

4、获取类的Field（成员变量）对象

类的每一个成员变量都对应一个Field对象，Class类提供了以下方法来获取类的成员变量对应的Field对象：

1）Field getDeclaredField(String name)：根据传入的变量名称返回此Class对象所表示的类或接口中声明的变量对应的Field对象。

2）Field[] getDeclaredFields()：返回一个Field类型的数组，包含此Class对象所表示的类或接口中声明的所有变量的Field对象。

3）Field getField(String name)：根据传入的变量名返回一个Field对象，注意与getDeclaredField(String name)不同的是，此方法返回的是public变量对应的Field对象。

4）Field[] getFields()：返回一个Field类型的数组，注意与Field[] getDeclaredFields()方法不同的是，此方法返回的是所有public变量对应的Field对象。

代码示例：

 public class GetFieldObject {

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

         //首先，获得String类的Class对象
         Class<?> classType = Class.forName("java.lang.String");

         //获得String类中声明的所有成员变量的Field对象的数组
         Field[] fields = classType.getDeclaredFields();
         for(Field field : fields){
             System.out.println(field);
         }    

         System.out.println("---------------------------------------------------------------------");

         //获得String类中声明的public成员变量的Field对象的数组
         Field[] publicFields = classType.getFields();
         for(Field field : publicFields){
             System.out.println(field);
         }

     }

 }

输出结果：

从结果输出可以看出getDeclaredFields()与getFields()的区别：getDeclaredFields()返回的是所有属性的Field对象；而getFields()返回的是声明为public的属性的Field对象。

5、获取类的Method对象

类中的每一个方法都对应一个Method对象，Class类提供了以下方法来获取类中的方法对应的Method对象：

1）Method getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)：返回一个Method对象，参数name表示方法名，可变参数parameterTypes是一个Class对象的数组，代表方法的参数的Class类型；

2）Method[] getDeclaredMethods()：返回Method对象的一个数组，这些对象反映此Class对象所表示的类或接口声明的所有方法，包括公共、保护、默认访问和私有方法，但不包括继承的方法；

3）Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)：返回一个Method对象，注意和此Method对象对应的方法是公共(public)方法；

4）Method[] getMethods()：返回一个Method数组，这些对象反映此Class对象所表示的类或接口中声明的公共(public)方法（也包括父类或父接口中声明的public方法）。
      代码示例：

 public class GetMethodObject {

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

         //首先，获得类的Class对象
         Class<?> classType = Class.forName("java.lang.reflect.Proxy");

         //获得类中声明的所有方法的Method对象的数组，不包括继承的父类的方法
         Method[] methods = classType.getDeclaredMethods();
         for(Method method : methods){
             System.out.println(method);
         }    

         System.out.println("----------------------------------------------------------------------");

         //获得类中的public方法的Method对象的数组，也包括继承的父类的public方法
         Method[] publicMethods = classType.getMethods();
         for(Method method : publicMethods){
             System.out.println(method);
         }

     }

 }

输出结果：

6、用反射机制调用对象的方法

Java反射机制可以在运行时动态调用类中的方法，Java Reflection API提供了我们所需的方法来完成动态调用。要想调用类中的方法首先要创建一个对象，我们通过类的Class对象来创建它所代表的类的实例，通过Class对象我们还能获得类中声明的方法的Method对象，Method类提供了Invoke方法来调用此Method对象所表示的方法。反射机制调用方法代码示例如下：

 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"));

         //用反射机制调用，首先获得类的Class对象
         Class<?> classType = InvokeTester.class;

         //通过Class对象获得一个InvokeTester类的实例
         Object invoke = classType.newInstance();

         //获得add(int a, int b)方法的Method对象，getMethod方法的参数为方法名和方法参数类型的Class对象的数组
         Method addMethod = classType.getMethod("add", int.class, int.class);

         //通过Method类的invoke方法，调用invoke对象的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、用反射机制调用类的私有方法

我们知道正常情况下一个类的私有方法只允许这个类本身来调用，但使用反射机制能打破这种访问限制，让其他的类也能调用这个类的私有的方法。这种场景在实际开发中很少用到，Java也不提倡这种用法。代码示例如下：

public class Private {

    //定义一个私有方法
    private String sayHello(String name){
        return "hello, "+name;
    }

}

public class PrivateTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //调用Private类的私有方法
        Private p = new Private();

        Class<?> classType = p.getClass();

        Method method = classType.getDeclaredMethod("sayHello", String.class);

        method.setAccessible(true);//取消Java访问检查,如果不设置此项则会报错

        String str = (String)method.invoke(p, "Tracy");

        System.out.println(str);//输出：hello, Tracy
    }

}

Method、Field、Constructor类有一个共同的父类AccessibleObject类，它提供了将反射的对象标记为在使用时取消默认Java语言访问控制检查的能力。在上面的代码中，我们在反射对象Method中设置accessible标志，它允许程序以某种通常禁止的方式来操作对象。

8、用反射机制操作类的私有变量

与前面调用类的私有方法类似，通过反射我们还能操作类的私有变量，代码示例如下：

 public class Private2 {
     //定义私有变量
     private String name = "zhangsan";

     public String getName(){
         return name;
     }
 }

 public class PrivateTest2 {

     public static void main(String[] args) throws Exception {
         //改变Private2类的私有变量的值
         Private2 p = new Private2();

         Class<?> classType = p.getClass();

         Field field = classType.getDeclaredField("name");

         field.setAccessible(true);//取消默认java访问控制检查，Field类的父类AccessibleObject类提供的方法

         field.set(p, "lisi");//Field类的set(Object obj, Object value)方法将指定对象上此Field对象表示的字段设置为指定的新值

         System.out.println(p.getName());//输出：lisi

     }

 }

以上这些内容，我介绍了Java反射机制的中涉及的主要的几个类以及这些类的基本用法，这些类中还有很多的方法，大家可以通过查看API进行了解，用法都很简单。Java反射机制在很多框架的底层实现中有用到，还有一种很重要的设计模式也用到了反射，那就是代理模式中的动态代理，了解了动态代理模式的思想对我们研究框架有很大帮助，我会在后面的博客中介绍这些内容，欢迎大家共同探讨。