Java反射（1）

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本章节对应知识库

https://www.yuque.com/nanchengcyu/java

本内容来自尚硅谷课程，此处在知识库做了个人理解
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1. 反射(Reflection)的概念

1.1 反射的出现背景

Java程序中，所有的对象都有两种类型：编译时类型和运行时类型，而很多时候对象的编译时类型和运行时类型不一致。 Object obj = new String(“hello”); obj.getClass()

例如：某些变量或形参的声明类型是Object类型，但是程序却需要调用该对象运行时类型的方法，该方法不是Object中的方法，那么如何解决呢？

解决这个问题，有两种方案：

方案1：在编译和运行时都完全知道类型的具体信息，在这种情况下，我们可以直接先使用instanceof运算符进行判断，再利用强制类型转换符将其转换成运行时类型的变量即可。

方案2：编译时根本无法预知该对象和类的真实信息，程序只能依靠运行时信息来发现该对象和类的真实信息，这就必须使用反射。

1.2 反射概述

Reflection（反射）是被视为动态语言的关键，反射机制允许程序在运行期间借助于Reflection API取得任何类的内部信息，并能直接操作任意对象的内部属性及方法。

加载完类之后，在堆内存的方法区中就产生了一个Class类型的对象（一个类只有一个Class对象），这个对象就包含了完整的类的结构信息。我们可以通过这个对象看到类的结构。这个对象就像一面镜子，透过这个镜子看到类的结构，所以，我们形象的称之为：反射。

从内存加载上看反射：

1.3 Java反射机制研究及应用

Java反射机制提供的功能：

• 在运行时判断任意一个对象所属的类
• 在运行时构造任意一个类的对象
• 在运行时判断任意一个类所具有的成员变量和方法
• 在运行时获取泛型信息
• 在运行时调用任意一个对象的成员变量和方法
• 在运行时处理注解
• 生成动态代理

1.4 反射相关的主要API

java.lang.Class：代表一个类
java.lang.reflect.Method：代表类的方法
java.lang.reflect.Field：代表类的成员变量
java.lang.reflect.Constructor：代表类的构造器
… …

1.5 反射的优缺点

优点：

• 提高了Java程序的灵活性和扩展性，降低了耦合性，提高自适应能力

• 允许程序创建和控制任何类的对象，无需提前硬编码目标类

缺点：

• 反射的性能较低。

  • 反射机制主要应用在对灵活性和扩展性要求很高的系统框架上

• 反射会模糊程序内部逻辑，可读性较差。

2. 理解Class类并获取Class实例

要想解剖一个类，必须先要获取到该类的Class对象。而剖析一个类或用反射解决具体的问题就是使用相关API:

• java.lang.Class
• java.lang.reflect.*

所以，Class对象是反射的根源。

2.1 理解Class

2.1.1 理论上

在Object类中定义了以下的方法，此方法将被所有子类继承：

public final Class getClass()

以上的方法返回值的类型是一个Class类，此类是Java反射的源头，实际上所谓反射从程序的运行结果来看也很好理解，即：可以通过对象反射求出类的名称。

对象照镜子后可以得到的信息：某个类的属性、方法和构造器、某个类到底实现了哪些接口。对于每个类而言，JRE 都为其保留一个不变的 Class 类型的对象。一个 Class 对象包含了特定某个结构(class/interface/enum/annotation/primitive type/void/[])的有关信息。

• Class本身也是一个类
• Class 对象只能由系统建立对象
• 一个加载的类在 JVM 中只会有一个Class实例
• 一个Class对象对应的是一个加载到JVM中的一个.class文件
• 每个类的实例都会记得自己是由哪个 Class 实例所生成
• 通过Class可以完整地得到一个类中的所有被加载的结构
• Class类是Reflection的根源，针对任何你想动态加载、运行的类，唯有先获得相应的Class对象

2.1.2 内存结构上

说明：上图中字符串常量池在JDK6中存储在方法区；JDK7及以后，存储在堆空间。

2.2 获取Class类的实例(四种方法)

方式1：要求编译期间已知类型

前提：若已知具体的类，通过类的class属性获取，该方法最为安全可靠，程序性能最高

实例：

Class clazz = String.class;

方式2：获取对象的运行时类型

前提：已知某个类的实例，调用该实例的getClass()方法获取Class对象

实例：

Class clazz = "www.atguigu.com".getClass();

方式3：可以获取编译期间未知的类型

前提：已知一个类的全类名，且该类在类路径下，可通过Class类的静态方法forName()获取，可能抛出ClassNotFoundException

实例：

Class clazz = Class.forName("java.lang.String");

方式4：其他方式(不做要求)

前提：可以用系统类加载对象或自定义加载器对象加载指定路径下的类型

实例：

ClassLoader cl = this.getClass().getClassLoader();
Class clazz4 = cl.loadClass("类的全类名");

再举例：

public class GetClassObject {
    @Test
    public void test01() throws ClassNotFoundException{
        Class c1 = GetClassObject.class;
        GetClassObject obj = new GetClassObject();
        Class c2 = obj.getClass();
        Class c3 = Class.forName("com.atguigu.classtype.GetClassObject");
        Class c4 = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass("com.atguigu.classtype.GetClassObject");

        System.out.println("c1 = " + c1);
        System.out.println("c2 = " + c2);
        System.out.println("c3 = " + c3);
        System.out.println("c4 = " + c4);

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

2.3 哪些类型可以有Class对象

简言之，所有Java类型！

（1）class：外部类，成员(成员内部类，静态内部类)，局部内部类，匿名内部类
（2）interface：接口
（3）[]：数组
（4）enum：枚举
（5）annotation：注解@interface
（6）primitive type：基本数据类型
（7）void

举例：

Class c1 = Object.class;
Class c2 = Comparable.class;
Class c3 = String[].class;
Class c4 = int[][].class;
Class c5 = ElementType.class;
Class c6 = Override.class;
Class c7 = int.class;
Class c8 = void.class;
Class c9 = Class.class;

int[] a = new int[10];
int[] b = new int[100];
Class c10 = a.getClass();
Class c11 = b.getClass();
// 只要元素类型与维度一样，就是同一个Class
System.out.println(c10 == c11);

2.4 Class类的常用方法

方法名	功能说明
static Class forName(String name)	返回指定类名 name 的 Class 对象
Object newInstance()	调用缺省构造函数，返回该Class对象的一个实例
getName()	返回此Class对象所表示的实体（类、接口、数组类、基本类型或void）名称
Class getSuperClass()	返回当前Class对象的父类的Class对象
Class [] getInterfaces()	获取当前Class对象的接口
ClassLoader getClassLoader()	返回该类的类加载器
Class getSuperclass()	返回表示此Class所表示的实体的超类的Class
Constructor[] getConstructors()	返回一个包含某些Constructor对象的数组
Field[] getDeclaredFields()	返回Field对象的一个数组
Method getMethod(String name,Class … paramTypes)	返回一个Method对象，此对象的形参类型为paramType

举例：

String str = "test4.Person";
Class clazz = Class.forName(str);

Object obj = clazz.newInstance();

Field field = clazz.getField("name");
field.set(obj, "Peter");
Object name = field.get(obj);
System.out.println(name);

//注：test4.Person是test4包下的Person类

3. 类的加载与ClassLoader的理解

3.1 类的生命周期

类在内存中完整的生命周期：加载–>使用–>卸载。其中加载过程又分为：装载、链接、初始化三个阶段。

3.2 类的加载过程

当程序主动使用某个类时，如果该类还未被加载到内存中，系统会通过加载、链接、初始化三个步骤来对该类进行初始化。如果没有意外，JVM将会连续完成这三个步骤，所以有时也把这三个步骤统称为类加载。

类的加载又分为三个阶段：

（1）装载（Loading）

将类的class文件读入内存，并为之创建一个java.lang.Class对象。此过程由类加载器完成

（2）链接（Linking）

①验证Verify：确保加载的类信息符合JVM规范，例如：以cafebabe开头，没有安全方面的问题。

②准备Prepare：正式为类变量（static）分配内存并设置类变量默认初始值的阶段，这些内存都将在方法区中进行分配。

③解析Resolve：虚拟机常量池内的符号引用（常量名）替换为直接引用（地址）的过程。

（3）初始化（Initialization）

• 执行类构造器<clinit>()方法的过程。类构造器<clinit>()方法是由编译期自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并产生的。（类构造器是构造类信息的，不是构造该类对象的构造器）。

• 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行初始化，则需要先触发其父类的初始化。

• 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确加锁和同步。

3.3 类加载器（classloader)

3.3.1 类加载器的作用

将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些静态数据转换成方法区的运行时数据结构，然后在堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区中类数据的访问入口。

类缓存：标准的JavaSE类加载器可以按要求查找类，但一旦某个类被加载到类加载器中，它将维持加载（缓存）一段时间。不过JVM垃圾回收机制可以回收这些Class对象。

3.3.2 类加载器的分类(JDK8为例)

JVM支持两种类型的类加载器，分别为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）。

从概念上来讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器，但是Java虚拟机规范却没有这么定义，而是将所有派生于抽象类ClassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器。无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器结构主要是如下情况：

（1）启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

• 这个类加载使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部。获取它的对象时往往返回null
• 它用来加载Java的核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar或sun.boot.class.path路径下的内容）。用于提供JVM自身需要的类。
• 并不继承自java.lang.ClassLoader，没有父加载器。
• 出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类
• 加载扩展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父类加载器。

（2）扩展类加载器（Extension ClassLoader）

• Java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。
• 继承于ClassLoader类
• 父类加载器为启动类加载器
• 从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK的安装目录的jre/lib/ext子目录下加载类库。如果用户创建的JAR放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载。

（3）应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader）

• java语言编写，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现
• 继承于ClassLoader类
• 父类加载器为扩展类加载器
• 它负责加载环境变量classpath或系统属性 java.class.path 指定路径下的类库
• 应用程序中的类加载器默认是系统类加载器。
• 它是用户自定义类加载器的默认父加载器
• 通过ClassLoader的getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器

（4）用户自定义类加载器（了解）

• 在Java的日常应用程序开发中，类的加载几乎是由上述3种类加载器相互配合执行的。在必要时，我们还可以自定义类加载器，来定制类的加载方式。
• 体现Java语言强大生命力和巨大魅力的关键因素之一便是，Java开发者可以自定义类加载器来实现类库的动态加载，加载源可以是本地的JAR包，也可以是网络上的远程资源。
• 同时，自定义加载器能够实现应用隔离，例如 Tomcat，Spring等中间件和组件框架都在内部实现了自定义的加载器，并通过自定义加载器隔离不同的组件模块。这种机制比C/C++程序要好太多，想不修改C/C++程序就能为其新增功能，几乎是不可能的，仅仅一个兼容性便能阻挡住所有美好的设想。
• 自定义类加载器通常需要继承于ClassLoader。

3.3.3 查看某个类的类加载器对象

（1）获取默认的系统类加载器

ClassLoader classloader = ClassLoader.getSystemClassLoader();

（2）查看某个类是哪个类加载器加载的

ClassLoader classloader = Class.forName("exer2.ClassloaderDemo").getClassLoader();

//如果是根加载器加载的类，则会得到null
ClassLoader classloader1 = Class.forName("java.lang.Object").getClassLoader();

（3）获取某个类加载器的父加载器

ClassLoader parentClassloader = classloader.getParent();

示例代码：

package com.atguigu.loader;

import org.junit.Test;

public class TestClassLoader {
    @Test
    public void test01(){
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println("systemClassLoader = " + systemClassLoader);
    }

    @Test
    public void test02()throws Exception{
        ClassLoader c1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println("加载String类的类加载器：" + c1);

        ClassLoader c2 = Class.forName("sun.util.resources.cldr.zh.TimeZoneNames_zh").getClassLoader();
        System.out.println("加载sun.util.resources.cldr.zh.TimeZoneNames_zh类的类加载器：" + c2);

        ClassLoader c3 = TestClassLoader.class.getClassLoader();
        System.out.println("加载当前类的类加载器：" + c3);
    }

    @Test
    public void test03(){
        ClassLoader c1 = TestClassLoader.class.getClassLoader();
        System.out.println("加载当前类的类加载器c1=" + c1);

        ClassLoader c2 = c1.getParent();
        System.out.println("c1.parent = " + c2);

        ClassLoader c3 = c2.getParent();
        System.out.println("c2.parent = " + c3);

    }
}

3.3.4 使用ClassLoader获取流

关于类加载器的一个主要方法：getResourceAsStream(String str):获取类路径下的指定文件的输入流

InputStream in = null;
in = this.getClass().getClassLoader().getResourceAsStream("exer2\\test.properties");
System.out.println(in);

举例：

//需要掌握如下的代码
    @Test
    public void test5() throws IOException {
        Properties pros = new Properties();
        //方式1：此时默认的相对路径是当前的module
//        FileInputStream is = new FileInputStream("info.properties");
//        FileInputStream is = new FileInputStream("src//info1.properties");

        //方式2：使用类的加载器
        //此时默认的相对路径是当前module的src目录
        InputStream is = ClassLoader.getSystemClassLoader().getResourceAsStream("info1.properties");


        pros.load(is);

        //获取配置文件中的信息
        String name = pros.getProperty("name");
        String password = pros.getProperty("password");
        System.out.println("name = " + name + ", password = " + password);
    }