一步步带你深入了解神秘的Java反射机制

Carson_Ho 鸿洋

本文作者

作者：Carson_Ho

链接：

https://blog.csdn.net/carson_ho/article/details/80921333

本文由作者授权发布。

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。

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

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

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

具体使用

4.1 Java反射机制提供的功能

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：

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:

之间的关系如下

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。

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

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

Demo地址
https://github.com/Carson-Ho/Reflect_Demo

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

Demo地址
https://github.com/Carson-Ho/Reflect_Demo

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

Demo地址
https://github.com/Carson-Ho/Reflect_Demo

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

https://blog.csdn.net/carson_ho/article/details/52223153

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

Demo地址
https://github.com/Carson-Ho/Reflection_Factory

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

<-- 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：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

Demo地址
https://github.com/Carson-Ho/Reflection_Factory

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

https://blog.csdn.net/carson_ho/article/details/80589878

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。