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谈谈Java反射：从入门到实践，再到原理

JAVA烂猪皮

共 7317字，需浏览 15分钟

 ·

2021-04-25 21:53

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前言

反射是Java底层框架的灵魂技术，学习反射非常有必要，本文将从入门概念，到实践，再到原理讲解反射，希望对大家有帮助。

反射理解

官方解析

Oracle 官方对反射的解释是：

Reflection is commonly used by programs which require the ability to examine ormodify the runtime behavior of applications running in the Java virtual machine.This is a relatively advanced feature and should be used only by developers whohave a strong grasp of the fundamentals of the language. With that caveat inmind, reflection is a powerful technique and can enable applications to performoperations which would otherwise be impossible.

Java 的反射机制是指在运行状态中，对于任意一个类都能够知道这个类所有的属性和方法；并且对于任意一个对象，都能够调用它的任意一个方法；这种动态获取信息以及动态调用对象方法的功能成为Java语言的反射机制。


白话理解


正射


万物有阴必有阳，有正必有反。既然有反射，就必有“正射”。


那么正射是什么呢？


我们在编写代码时，当需要使用到某一个类的时候，都会先了解这个类是做什么的。然后实例化这个类，接着用实例化好的对象进行操作，这就是正射。

Student student = new Student();student.doHomework("数学");

反射

反射就是，一开始并不知道我们要初始化的类对象是什么，自然也无法使用 new 关键字来创建对象了。

 Class clazz = Class.forName("reflection.Student"); Method method = clazz.getMethod("doHomework", String.class); Constructor constructor = clazz.getConstructor(); Object object = constructor.newInstance(); method.invoke(object, "语文");

正射与反射对比

以上两段代码，执行效果是一样的，如图





但是，其实现的过程还是有很大的差别的：

  • 第一段代码在未运行前就已经知道了要运行的类是Student；

  • 第二段代码则是到整个程序运行的时候，从字符串reflection.Student，才知道要操作的类是Student。


结论


反射就是在运行时才知道要操作的类是什么，并且可以在运行时获取类的完整构造，并调用对应的方法。


Class 对象理解

要理解Class对象，我们先来了解一下RTTI吧。RTTI（Run-Time Type Identification）运行时类型识别，其作用是在运行时识别一个对象的类型和类的信息。


Java是如何让我们在运行时识别对象和类的信息的？主要有两种方式：一种是传统的RRTI，它假定我们在编译期已知道了所有类型。另一种是反射机制，它允许我们在运行时发现和使用类的信息。


每个类都有一个Class对象，每当编译一个新类就产生一个Class对象（更恰当地说，是被保存在一个同名的.class文件中）。比如创建一个Student类，那么，JVM就会创建一个Student对应Class类的Class对象，该Class对象保存了Student类相关的类型信息。





Class类的对象作用是运行时提供或获得某个对象的类型信息


反射的基本使用


获取 Class 类对象


获取反射中的Class对象有三种方法。

第一种，使用 Class.forName 静态方法。

Class class1 = Class.forName("reflection.TestReflection");

第二种，使用类的.class 方法

Class class2 = TestReflection.class;

第三种，使用实例对象的 getClass() 方法。

TestReflection testReflection = new TestReflection();Class class3 = testReflection.getClass();

反射创造对象，获取方法，成员变量，构造器

本小节学习反射的基本API用法，如获取方法，成员变量等。

反射创造对象

通过反射创建类对象主要有两种方式：

实例代码:

//方式一Class class1 = Class.forName("reflection.Student");Student student = (Student) class1.newInstance();System.out.println(student);
//方式二Constructor constructor = class1.getConstructor();Student student1 = (Student) constructor.newInstance();System.out.println(student1);

运行结果：

反射获取类的构造器

看一个例子吧：

Class class1 = Class.forName("reflection.Student");Constructor[] constructors = class1.getDeclaredConstructors();for (int i = 0; i < constructors.length; i++) {    System.out.println(constructors[i]); }

反射获取类的成员变量

看demo：

// student 一个私有属性age，一个公有属性emailpublic class Student {
    private Integer age;
    public String email;}
public class TestReflection {    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException {        Class class1 = Class.forName("reflection.Student");        Field email = class1.getField("email");        System.out.println(email);        Field age = class1.getField("age");        System.out.println(age);    }}

运行结果：

即getField(String name) 根据参数变量名，返回一个具体的具有public属性的成员变量，如果该变量不是public属性，则报异常。

反射获取类的方法

demo

public class Student {
    private void testPrivateMethod() {            }    public void testPublicMethod() {            }}
public class TestReflection {    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException {        Class class1 = Class.forName("reflection.Student");
        Method[] methods = class1.getMethods();        for (int i = 0; i < methods.length; i++) {            System.out.println(methods[i]);        }    }}

运行结果：

反射的实现原理

通过上一小节学习，我们已经知道反射的基本API用法了。接下来，跟着一个例子，学习反射方法的执行链路。

public class TestReflection {    public static void main(String[] args) throws Exception {        Class clazz = Class.forName("reflection.TestReflection");        Method method = clazz.getMethod("target", String.class);        method.invoke(null, "666");    }
    public static void target(String str) {        //打印堆栈信息        new Exception("#" +str).printStackTrace();        System.out.println("invoke target method");    }}

堆栈信息反映出反射调用链路：

java.lang.Exception: #666invoke target method  at reflection.TestReflection.target(TestReflection.java:17)  at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)  at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)  at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)  at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)  at reflection.TestReflection.main(TestReflection.java:11)

invoke方法执行时序图

我们跟着反射链路去看一下源码，先看Method的invoke方法：

public Object invoke(Object obj, Object... args)    throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,       InvocationTargetException{    //校验权限    if (!override) {        if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {            Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();            checkAccess(caller, clazz, obj, modifiers);        }    }    MethodAccessor ma = methodAccessor;             // read volatile    if (ma == null) {        ma = acquireMethodAccessor(); //获取MethodAccessor    }    //返回MethodAccessor.invoke    return ma.invoke(obj, args);}

由上可知道，Method 的 invoke 方法，其实是返回接口MethodAccessor的invoke方法。MethodAccessor接口有三个实现类，到底调用的是哪个类的 invoke 方法呢？




进入acquireMethodAccessor方法，可以看到MethodAccessor由ReflectionFactory 的 newMethodAccessor方法决定。



再进ReflectionFactory的newMethodAccessor方法，我们可以看到返回的是DelegatingMethodAccessorImpl对象，也就是说调用的是它的invoke方法。




再看DelegatingMethodAccessorImpl的invoke方法



DelegatingMethodAccessorImpl的invoke方法返回的是MethodAccessorImpl的invoke方法，而MethodAccessorImpl的invoke方法，由它的子类NativeMethodAccessorImpl重写，这时候返回的是本地方法invoke0，如下



因此，Method的invoke方法，是由本地方法invoke0决定的，再底层就是c++相关了，有兴趣的朋友可以继续往下研究。


反射的一些应用以及问题


反射应用


反射是Java框架的灵魂技术，很多框架都使用了反射技术，如spring，Mybatis，Hibernate等。


JDBC 的数据库的连接


在JDBC连接数据库中，一般包括加载驱动，获得数据库连接等步骤。而加载驱动，就是引入相关Jar包后，通过Class.forName() 即反射技术，加载数据库的驱动程序。


Spring 框架的使用


Spring 通过 XML 配置模式装载 Bean，也是反射的一个典型例子。

装载过程：

  • 将程序内XML 配置文件加载入内存中

  • Java类解析xml里面的内容，得到相关字节码信息

  • 使用反射机制，得到Class实例

  • 动态配置实例的属性，使用


这样做当然是有好处的：


不用每次都去new实例了，并且可以修改配置文件，比较灵活。


反射存在的问题


性能问题


java反射的性能并不好，原因主要是编译器没法对反射相关的代码做优化。

安全问题

我们知道单例模式的设计过程中，会强调将构造器设计为私有，因为这样可以防止从外部构造对象。但是反射可以获取类中的域、方法、构造器，修改访问权限。所以这样并不一定是安全的。

看个例子吧，通过反射使用私有构造器实例化。

public class Student {    private String name;    private Student(String name) {        System.out.println("我是私有构造器，我被实例化了");        this.name = name;    }    public void doHomework(String subject) {        System.out.println("我的名字是" + name);        System.out.println("我在做"+subject+"作业");    }}public class TestReflection {    public static void main(String[] args) throws Exception {        Class clazz = Class.forName("reflection.Student");        // 获取私有构造方法对象        Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class);        // true指示反射的对象在使用时应该取消Java语言访问检查。        constructor.setAccessible(true);        Student student = (Student) constructor.newInstance("jay@huaxiao");        student.doHomework("数学");    }}

运行结果：

显然，反射不管你是不是私有，一样可以调用。所以，使用反射通常需要程序的运行没有安全限制。如果一个程序对安全性有强制要求，最好不要使用反射啦。




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—END—


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