读懂框架设计的灵魂 — Java 反射机制
Java 反射机制对于小白来说，真的是一道巨大的坎儿，其他的东西吧，无非就是内容多点，多看看多背背就好了，反射真的就是不管看了多少遍不理解就还是不理解，而且学校里面的各大教材应该都没有反射这个章节，有也是一带而过。说实话，在这篇文章之前，我对反射也并非完全了解，毕竟平常开发基本用不到，不过，看完这篇文章相信你对反射就没啥疑点了。
全文脉络思维导图如下：
1. 抛砖引玉：为什么要使用反射
前文我们说过，接口的使用提高了代码的可维护性和可扩展性，并且降低了代码的耦合度。来看个例子：
首先，我们拥有一个接口 X 及其方法 test，和两个对应的实现类 A、B：
public class Test {
interface X {
public void test();
}
class A implements X{
@Override
public void test() {
System.out.println("I am A");
}
}
class B implements X{
@Override
public void test() {
System.out.println("I am B");
}
}
通常情况下，我们需要使用哪个实现类就直接 new 一个就好了，看下面这段代码：
public class Test {
......
public static void main(String[] args) {
X a = create1("A");
a.test();
X b = create1("B");
b.test();
}
public static X create1(String name){
if (name.equals("A")) {
return new A();
} else if(name.equals("B")){
return new B();
}
return null;
}
}
按照上面这种写法，如果有成百上千个不同的 X 的实现类需要创建，那我们岂不是就需要写上千个 if 语句来返回不同的 X 对象？
我们来看看看反射机制是如何做的：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
X a = create2("A");
a.test();
X b = create2("B");
b.testReflect();
}
// 使用反射机制
public static X create2(String name){
Class<?> class = Class.forName(name);
X x = (X) class.newInstance();
return x;
}
}
向 create2() 方法传入包名和类名，通过反射机制动态的加载指定的类，然后再实例化对象。
看完上面这个例子，相信诸位对反射有了一定的认识。反射拥有以下四大功能：
在运行时（动态编译）获知任意一个对象所属的类。 在运行时构造任意一个类的对象。 在运行时获知任意一个类所具有的成员变量和方法。 在运行时调用任意一个对象的方法和属性。
上述这种「动态获取信息、动态调用对象的方法」的功能称为 Java 语言的反射机制。
2. 理解 Class 类
要想理解反射，首先要理解 Class 类，因为 Class 类是反射实现的基础。
在程序运行期间，JVM 始终为所有的对象维护一个被称为「运行时的类型标识」，这个信息跟踪着每个对象所属的类的完整结构信息，包括包名、类名、实现的接口、拥有的方法和字段等。可以通过专门的 Java 类访问这些信息，这个类就是 Class 类。我们可以把 Class 类理解为「类的类型」，一个 Class 对象，称为类的类型对象，「一个 Class 对象对应一个加载到 JVM 中的一个 .class 文件」。
在通常情况下，一定是先有类再有对象。以下面这段代码为例，类的正常加载过程是这样的：
import java.util.Date; // 先有类
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Date date = new Date(); // 后有对象
System.out.println(date);
}
}
首先 JVM 会将你的代码编译成一个 .class 字节码文件，然后被类加载器（Class Loader）加载进 JVM 的内存中，「同时会创建一个 Date 类的 Class 对象存到堆中」（注意这个不是 new 出来的对象，而是类的类型对象）。JVM 在创建 Date 对象前，会先检查其类是否加载，寻找类对应的 Class 对象，若加载好，则为其分配内存，然后再进行初始化 new Date()。
需要注意的是，「每个类只有一个 Class 对象」，也就是说如果我们有第二条 new Date() 语句，JVM 不会再生成一个 Date 的 Class 对象，因为已经存在一个了。这也使得我们可以利用 == 运算符实现两个类对象比较的操作：
System.out.println(date.getClass() == Date.getClass()); // true
OK，那么在加载完一个类后，堆内存的方法区就产生了一个 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 Class 对象看到类的结构」，就好比一面镜子。所以我们形象的称之为：反射。
说的再详细点，再解释一下。上文说过，在通常情况下，一定是先有类再有对象，我们把这个通常情况称为 “正”。那么反射中的这个 “反” 我们就可以理解为根据对象找到对象所属的类（对象的出处）
Date date = new Date();
System.out.println(date.getClass()); // "class java.util.Date"
通过反射，也就是调用了 getClass() 方法后，我们就获得了 Date 类对应的 Class 对象，看到了 Date 类的结构，输出了 Date 对象所属的类的完整名称，即找到了对象的出处。当然，获取 Class 对象的方式不止这一种。
3. 获取 Class 类对象的四种方式
从 Class 类的源码可以看出，它的构造函数是私有的，也就是说只有 JVM 可以创建 Class 类的对象，我们不能像普通类一样直接 new 一个 Class 对象。
我们只能通过已有的类来得到一个 Class类对象，Java 提供了四种方式：
「第一种：知道具体类的情况下可以使用」：
Class alunbarClass = TargetObject.class;
但是我们一般是不知道具体类的，基本都是通过遍历包下面的类来获取 Class 对象，通过此方式获取 Class 对象不会进行初始化。
「第二种：通过 Class.forName()传入全类名获取」：
Class alunbarClass1 = Class.forName("com.xxx.TargetObject");
这个方法内部实际调用的是 forName0：
第 2 个 boolean 参数表示类是否需要初始化，默认是需要初始化。一旦初始化，就会触发目标对象的 static 块代码执行，static 参数也会被再次初始化。
「第三种：通过对象实例 instance.getClass() 获取」：
Date date = new Date();
Class alunbarClass2 = date.getClass(); // 获取该对象实例的 Class 类对象
「第四种：通过类加载器 xxxClassLoader.loadClass() 传入类路径获取」
class clazz = ClassLoader.LoadClass("com.xxx.TargetObject");
通过类加载器获取 Class 对象不会进行初始化，意味着不进行包括初始化等一些列步骤，静态块和静态对象不会得到执行。这里可以和 forName 做个对比。
4. 通过反射构造一个类的实例
上面我们介绍了获取 Class 类对象的方式，那么成功获取之后，我们就需要构造对应类的实例。下面介绍三种方法，第一种最为常见，最后一种大家稍作了解即可。
① 使用 Class.newInstance
举个例子：
Date date1 = new Date();
Class alunbarClass2 = date1.getClass();
Date date2 = alunbarClass2.newInstance(); // 创建一个与 alunbarClass2 具有相同类类型的实例
创建了一个与 alunbarClass2 具有相同类类型的实例。
需要注意的是，「newInstance方法调用默认的构造函数（无参构造函数）初始化新创建的对象。如果这个类没有默认的构造函数， 就会抛出一个异常」。
② 通过反射先获取构造方法再调用
由于不是所有的类都有无参构造函数又或者类构造器是 private 的，在这样的情况下，如果我们还想通过反射来实例化对象，Class.newInstance 是无法满足的。
此时，我们可以使用 Constructor 的 newInstance 方法来实现，先获取构造函数，再执行构造函数。
从上面代码很容易看出，Constructor.newInstance 是可以携带参数的，而 Class.newInstance 是无参的，这也就是为什么它只能调用无参构造函数的原因了。
❝大家不要把这两个
❞newInstance方法弄混了。如果被调用的类的构造函数为默认的构造函数，采用Class.newInstance()是比较好的选择， 一句代码就 OK；如果需要调用类的带参构造函数、私有构造函数等， 就需要采用Constractor.newInstance()
Constructor.newInstance 是执行构造函数的方法。我们来看看获取构造函数可以通过哪些渠道，作用如其名，以下几个方法都比较好记也容易理解，返回值都通过 Cnostructor 类型来接收。
「批量获取构造函数」：
1）获取所有"公有的"构造方法
public Constructor[] getConstructors() { }
2）获取所有的构造方法（包括私有、受保护、默认、公有）
public Constructor[] getDeclaredConstructors() { }
「单个获取构造函数」：
1）获取一个指定参数类型的"公有的"构造方法
public Constructor getConstructor(Class... parameterTypes) { }
2）获取一个指定参数类型的"构造方法"，可以是私有的，或受保护、默认、公有
public Constructor getDeclaredConstructor(Class... parameterTypes) { }
举个例子：
package fanshe;
public class Student {
//（默认的构造方法）
Student(String str){
System.out.println("(默认)的构造方法 s = " + str);
}
// 无参构造方法
public Student(){
System.out.println("调用了公有、无参构造方法执行了。。。");
}
// 有一个参数的构造方法
public Student(char name){
System.out.println("姓名：" + name);
}
// 有多个参数的构造方法
public Student(String name ,int age){
System.out.println("姓名："+name+"年龄："+ age);//这的执行效率有问题，以后解决。
}
// 受保护的构造方法
protected Student(boolean n){
System.out.println("受保护的构造方法 n = " + n);
}
// 私有构造方法
private Student(int age){
System.out.println("私有的构造方法年龄："+ age);
}
}
----------------------------------
public class Constructors {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 加载Class对象
Class clazz = Class.forName("fanshe.Student");
// 获取所有公有构造方法
Constructor[] conArray = clazz.getConstructors();
for(Constructor c : conArray){
System.out.println(c);
}
// 获取所有的构造方法(包括：私有、受保护、默认、公有)
conArray = clazz.getDeclaredConstructors();
for(Constructor c : conArray){
System.out.println(c);
}
// 获取公有、无参的构造方法
// 因为是无参的构造方法所以类型是一个null,不写也可以：这里需要的是一个参数的类型，切记是类型
// 返回的是描述这个无参构造函数的类对象。
Constructor con = clazz.getConstructor(null);
Object obj = con.newInstance(); // 调用构造方法
// 获取私有构造方法
con = clazz.getDeclaredConstructor(int.class);
System.out.println(con);
con.setAccessible(true); // 为了调用 private 方法/域 我们需要取消安全检查
obj = con.newInstance(12); // 调用构造方法
}
}
③ 使用开源库 Objenesis
Objenesis 是一个开源库，和上述第二种方法一样，可以调用任意的构造函数，不过封装的比较简洁：
public class Test {
// 不存在无参构造函数
private int i;
public Test(int i){
this.i = i;
}
public void show(){
System.out.println("test..." + i);
}
}
------------------------
public static void main(String[] args) {
Objenesis objenesis = new ObjenesisStd(true);
Test test = objenesis.newInstance(Test.class);
test.show();
}
使用非常简单，Objenesis 由子类 ObjenesisObjenesisStd实现。详细源码此处就不深究了，了解即可。
5. 通过反射获取成员变量并使用
和获取构造函数差不多，获取成员变量也分批量获取和单个获取。返回值通过 Field 类型来接收。
「批量获取」：
1）获取所有公有的字段
public Field[] getFields() { }
2）获取所有的字段（包括私有、受保护、默认的）
public Field[] getDeclaredFields() { }
「单个获取」：
1）获取一个指定名称的公有的字段
public Field getField(String name) { }
2）获取一个指定名称的字段，可以是私有、受保护、默认的
public Field getDeclaredField(String name) { }
获取到成员变量之后，如何修改它们的值呢？
set 方法包含两个参数：
obj：哪个对象要修改这个成员变量 value：要修改成哪个值
举个例子:
package fanshe.field;
public class Student {
public Student(){
}
public String name;
protected int age;
char sex;
private String phoneNum;
@Override
public String toString() {
return "Student [name=" + name + ", age=" + age + ", sex=" + sex
+ ", phoneNum=" + phoneNum + "]";
}
}
----------------------------------
public class Fields {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 获取 Class 对象
Class stuClass = Class.forName("fanshe.field.Student");
// 获取公有的无参构造函数
Constructor con = stuClass.getConstructor();
// 获取私有构造方法
con = clazz.getDeclaredConstructor(int.class);
System.out.println(con);
con.setAccessible(true); // 为了调用 private 方法/域 我们需要取消安全检查
obj = con.newInstance(12); // 调用构造方法
// 获取所有公有的字段
Field[] fieldArray = stuClass.getFields();
for(Field f : fieldArray){
System.out.println(f);
}
// 获取所有的字段 (包括私有、受保护、默认的)
fieldArray = stuClass.getDeclaredFields();
for(Field f : fieldArray){
System.out.println(f);
}
// 获取指定名称的公有字段
Field f = stuClass.getField("name");
Object obj = con.newInstance(); // 调用构造函数，创建该类的实例
f.set(obj, "刘德华"); // 为 Student 对象中的 name 属性赋值
// 获取私有字段
f = stuClass.getDeclaredField("phoneNum");
f.setAccessible(true); // 暴力反射，解除私有限定
f.set(obj, "18888889999"); // 为 Student 对象中的 phoneNum 属性赋值
}
}
6. 通过反射获取成员方法并调用
同样的，获取成员方法也分批量获取和单个获取。返回值通过 Method 类型来接收。
「批量获取」：
1）获取所有"公有方法"（包含父类的方法，当然也包含 Object 类）
public Method[] getMethods() { }
2）获取所有的成员方法，包括私有的（不包括继承的）
public Method[] getDeclaredMethods() { }
「单个获取」：
获取一个指定方法名和参数类型的成员方法：
public Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)
获取到方法之后该怎么调用它们呢？
invoke 方法中包含两个参数：
obj：哪个对象要来调用这个方法 args：调用方法时所传递的实参
举个例子：
package fanshe.method;
public class Student {
public void show1(String s){
System.out.println("调用了：公有的，String参数的show1(): s = " + s);
}
protected void show2(){
System.out.println("调用了：受保护的，无参的show2()");
}
void show3(){
System.out.println("调用了：默认的，无参的show3()");
}
private String show4(int age){
System.out.println("调用了，私有的，并且有返回值的，int参数的show4(): age = " + age);
return "abcd";
}
}
-------------------------------------------
public class MethodClass {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 获取 Class对象
Class stuClass = Class.forName("fanshe.method.Student");
// 获取公有的无参构造函数
Constructor con = stuClass.getConstructor();
// 获取所有公有方法
stuClass.getMethods();
Method[] methodArray = stuClass.getMethods();
for(Method m : methodArray){
System.out.println(m);
}
// 获取所有的方法，包括私有的
methodArray = stuClass.getDeclaredMethods();
for(Method m : methodArray){
System.out.println(m);
}
// 获取公有的show1()方法
Method m = stuClass.getMethod("show1", String.class);
System.out.println(m);
Object obj = con.newInstance(); // 调用构造函数，实例化一个 Student 对象
m.invoke(obj, "小牛肉");
// 获取私有的show4()方法
m = stuClass.getDeclaredMethod("show4", int.class);
m.setAccessible(true); // 解除私有限定
Object result = m.invoke(obj, 20);
System.out.println("返回值：" + result);
}
}
7. 反射机制优缺点
「优点」：比较灵活，能够在运行时动态获取类的实例。
「缺点」：
1）性能瓶颈：反射相当于一系列解释操作，通知 JVM 要做的事情，性能比直接的 Java 代码要慢很多。
2）安全问题：反射机制破坏了封装性，因为通过反射可以获取并调用类的私有方法和字段。
8. 反射的经典应用场景
反射在我们实际编程中其实并不会直接大量的使用，但是实际上有很多设计都与反射机制有关，比如：
动态代理机制 使用 JDBC 连接数据库 Spring / Hibernate 框架（实际上是因为使用了动态代理，所以才和反射机制有关）
❝为什么说动态代理使用了反射机制，下篇文章会给出详细解释。
❞
JDBC 连接数据库
在 JDBC 的操作中，如果要想进行数据库的连接，则必须按照以下几步完成：
通过 Class.forName()加载数据库的驱动程序 （通过反射加载）通过 DriverManager类连接数据库，参数包含数据库的连接地址、用户名、密码通过 Connection接口接收连接关闭连接
public static void main(String[] args) throws Exception {
Connection con = null; // 数据库的连接对象
// 1. 通过反射加载驱动程序
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
// 2. 连接数据库
con = DriverManager.getConnection(
"jdbc:mysql://localhost:3306/test","root","root");
// 3. 关闭数据库连接
con.close();
}
Spring 框架
反射机制是 Java 框架设计的灵魂，框架的内部都已经封装好了，我们自己基本用不着写。典型的除了Hibernate 之外，还有 Spring 也用到了很多反射机制，最典型的就是 Spring 通过 xml 配置文件装载 Bean（创建对象），也就是 「Spring 的 IoC」，过程如下：
加载配置文件，获取 Spring 容器 使用反射机制，根据传入的字符串获得某个类的 Class 实例
// 获取 Spring 的 IoC 容器，并根据 id 获取对象
public static void main(String[] args) {
// 1.使用 ApplicationContext 接口加载配置文件，获取 spring 容器
ApplicationContext ac = new ClassPathXmlApplicationContext("spring.xml");
// 2. 使用反射机制，根据这个字符串获得某个类的 Class 实例
IAccountService aService = (IAccountService) ac.getBean("accountServiceImpl");
System.out.println(aService);
}
另外，「Spring AOP 由于使用了动态代理，所以也使用了反射机制」，这点我会在 Spring 的系列文章中详细解释。
References
《Java 核心技术 - 卷 1 基础知识 - 第 10 版》 《Thinking In Java（Java 编程思想）- 第 4 版》 敬业的小马哥 — Java 基础之反射：https://blog.csdn.net/sinat_38259539/article/details/71799078
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