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Java 反射机制

2014年02月23日 ⁄ 综合 ⁄ 共 10829字 ⁄ 字号 小 中 大 ⁄ 评论关闭

Java语言允许通过程序化的方式间接对Class进行操作，Class文件由类装载器装载后，在JVM中将形成一份描述Class结构的元信息对象，通过该元信息对象可以获知Class的结构信息：如构造函数、属性和方法等。Java允许用户借由这个Class相关的元信息对象间接调用Class对象的功能，这就为使用程序化方式操作Class对象开辟了途径。

简单实例

    我们将从一个简单例子开始探访Java反射机制的征程，下面的Car类拥有两个构造函数、两个方法以及三个属性，如代码清单3-9所示：

代码清单3-9  Car

Java代码
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  1. package com.baobaotao.reflect;   
  2. public class Car {   
  3.     private String brand;   
  4.     private String color;   
  5.     private int maxSpeed;   
  6.        
  7.      //①默认构造函数   
  8.     public Car(){}   
  9.         
  10.      //②带参构造函数   
  11.     public Car(String brand,String color,int maxSpeed){    
  12.         this.brand = brand;   
  13.         this.color = color;   
  14.         this.maxSpeed = maxSpeed;   
  15.     }   
  16.   
  17.      //③未带参的方法   
  18.     public void introduce() {    
  19.        System.out.println("brand:"+brand+";color:"+color+";maxSpeed:" +maxSpeed);   
  20.     }   
  21.      //省略参数的getter/Setter方法   
  22.      …   
  23. }  

一般情况下，我们会使用如下的代码创建Car的实例：

Java代码
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  1. Car car = new Car();   
  2. car.setBrand("红旗CA72");  

或者：

Java代码
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  1. Car car = new Car("红旗CA72","黑色");  

以上两种方法都采用传统方式的直接调用目标类的方法，下面我们通过Java反射机制以一种更加通用的方式间接地操作目标类：

代码清单3-10  ReflectTest

Java代码
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  1. package com.baobaotao. reflect;   
  2. import java.lang.reflect.Constructor;   
  3. import java.lang.reflect.Field;   
  4. import java.lang.reflect.Method;   
  5. public class ReflectTest {   
  6.     public static Car  initByDefaultConst() throws Throwable   
  7.     {   
  8.         //①通过类装载器获取Car类对象   
  9.         ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();    
  10.         Class clazz = loader.loadClass("com.baobaotao.reflect.Car");    
  11.            
  12.           //②获取类的默认构造器对象并通过它实例化Car
      
  13.         Constructor cons = clazz.getDeclaredConstructor((Class[])null);    
  14.         Car car = (Car)cons.newInstance();   
  15.            
  16.             
  17.           //③通过反射方法设置属性   
  18.         Method setBrand = clazz.getMethod("setBrand",String.class);           
  19.         setBrand.invoke(car,"红旗CA72");         
  20.         Method setColor = clazz.getMethod("setColor",String.class);   
  21.         setColor.invoke(car,"黑色");         
  22.         Method setMaxSpeed = clazz.getMethod("setMaxSpeed",int.class);   
  23.         setMaxSpeed.invoke(car,200);           
  24.         return car;   
  25.     }   
  26.   
  27.     public static void main(String[] args) throws Throwable {   
  28.         Car car = initByDefaultConst();   
  29.         car.introduce();   
  30.     }   
  31. }  

运行以上程序，在控制台上将打印出以下信息：

引用
brand:红旗CA72;color:黑色;maxSpeed:200

这说明我们完全可以通过编程方式调用Class的各项功能，这和直接通过构造函数和方法调用类功能的效果是一致的，只不过前者是间接调用，后者是直接调用罢了。

在ReflectTest中，使用了几个重要的反射类，分别是ClassLoader、Class、Constructor和Method，通过这些反射类就可以间接调用目标Class的各项功能了。在①处，我们获取当前线程的ClassLoader，然后通过指定的全限定类“com.baobaotao.beans.Car”装载Car类对应的反射实例。在②处，我们通过Car的反射类对象获取Car的构造函数对象cons，通过构造函数对象的newInstrance()方法实例化Car对象，其效果等同于new Car()。在③处，我们又通过Car的反射类对象的getMethod（String
methodName,Class paramClass）获取属性的Setter方法对象，第一个参数是目标Class的方法名；第二个参数是方法入参的对象类型。获取方法反射对象后，即可通过invoke（Object obj,Object param）方法调用目标类的方法，该方法的第一个参数是操作的目标类对象实例；第二个参数是目标方法的入参。

在代码清单3 10中，粗体所示部分的信息即是通过反射方法操控目标类的元信息，如果我们将这些信息以一个配置文件的方式提供，就可以使用Java语言的反射功能编写一段通用的代码对类似于Car的类进行实例化及功能调用操作了。

类装载器ClassLoader

类装载器工作机制

类装载器就是寻找类的节码文件并构造出类在JVM内部表示对象的组件。在Java中，类装载器把一个类装入JVM中，要经过以下步骤：

    [1.]装载：查找和导入Class文件；
    [2.]链接：执行校验、准备和解析步骤，其中解析步骤是可以选择的：
        [2.1]校验：检查载入Class文件数据的正确性；
        [2.2]准备：给类的静态变量分配存储空间；
        [2.3]解析：将符号引用转成直接引用；
    [3.]初始化：对类的静态变量、静态代码块执行初始化工作。

类装载工作由ClassLoader及其子类负责，ClassLoader是一个重要的Java运行时系统组件，它负责在运行时查找和装入Class字节码文件。JVM在运行时会产生三个ClassLoader：根装载器、ExtClassLoader（扩展类装载器）和AppClassLoader（系统类装载器）。其中，根装载器不是ClassLoader的子类，它使用C++编写，因此我们在Java中看不到它，根装载器负责装载JRE的核心类库，如JRE目标下的rt.jar、charsets.jar等。ExtClassLoader和AppClassLoader都是ClassLoader的子类。其中ExtClassLoader负责装载JRE扩展目录ext中的JAR类包；AppClassLoader负责装载Classpath路径下的类包。

这三个类装载器之间存在父子层级关系，即根装载器是ExtClassLoader的父装载器，ExtClassLoader是AppClassLoader的父装载器。默认情况下，使用AppClassLoader装载应用程序的类，我们可以做一个实验：

代码清单3-11  ClassLoaderTest

Java代码
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  1. public class ClassLoaderTest {   
  2.     public static void main(String[] args) {   
  3.         ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();   
  4.         System.out.println("current loader:"+loader);   
  5.         System.out.println("parent loader:"+loader.getParent());   
  6.         System.out.println("grandparent loader:"+loader.getParent(). getParent());   
  7.     }   
  8. }  

运行以上代码，在控制台上将打出以下信息：

引用
current loader:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@131f71a
parent loader:sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@15601ea
     //①根装载器在Java中访问不到，所以返回null
grandparent loader:null

通过以上的输出信息，我们知道当前的ClassLoader是AppClassLoader，父ClassLoader是ExtClassLoader，祖父ClassLoader是根类装载器，因为在Java中无法获得它的句柄，所以仅返回null。

JVM装载类时使用“全盘负责委托机制”，“全盘负责”是指当一个ClassLoader装载一个类的时，除非显式地使用另一个ClassLoader，该类所依赖及引用的类也由这个ClassLoader载入；“委托机制”是指先委托父装载器寻找目标类，只有在找不到的情况下才从自己的类路径中查找并装载目标类。这一点是从安全角度考虑的，试想如果有人编写了一个恶意的基础类（如java.lang.String）并装载到JVM中将会引起多么可怕的后果。但是由于有了“全盘负责委托机制”，java.lang.String永远是由根装载器来装载的，这样就避免了上述事件的发生。

ClassLoader重要方法

在Java中，ClassLoader是一个抽象类，位于java.lang包中。下面对该类的一些重要接口方法进行介绍：

  •   Class loadClass(String name)     name参数指定类装载器需要装载类的名字，必须使用全限定类名，如com.baobaotao. beans.Car。该方法有一个重载方法loadClass(String name ,boolean resolve)，resolve参数告诉类装载器是否需要解析该类。在初始化类之前，应考虑进行类解析的工作，但并不是所有的类都需要解析，如果JVM只需要知道该类是否存在或找出该类的超类，那么就不需要进行解析。
  • Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)    将类文件的字节数组转换成JVM内部的java.lang.Class对象。字节数组可以从本地文件系统、远程网络获取。name为字节数组对应的全限定类名。
  •   Class findSystemClass(String name)    从本地文件系统载入Class文件，如果本地文件系统不存在该Class文件，将抛出ClassNotFoundException异常。该方法是JVM默认使用的装载机制。
  •   Class findLoadedClass(String name)   调用该方法来查看ClassLoader是否已装入某个类。如果已装入，那么返回java.lang.Class对象，否则返回null。如果强行装载已存在的类，将会抛出链接错误。
  •   ClassLoader getParent()    获取类装载器的父装载器，除根装载器外，所有的类装载器都有且仅有一个父装载器，ExtClassLoader的父装载器是根装载器，因为根装载器非Java编写，所以无法获得，将返回null。

除JVM默认的三个ClassLoader以外，可以编写自己的第三方类装载器，以实现一些特殊的需求。类文件被装载并解析后，在JVM内将拥有一个对应的java.lang.Class类描述对象，该类的实例都拥有指向这个类描述对象的引用，而类描述对象又拥有指向关联ClassLoader的引用，如图3-4所示。

每一个类在JVM中都拥有一个对应的java.lang.Class对象，它提供了类结构信息的描述。数组、枚举、注解以及基本Java类型（如int、double等），甚至void都拥有对应的Class对象。Class没有public的构造方法。Class对象是在装载类时由JVM通过调用类装载器中的defineClass()方法自动构造的。

Java反射机制

Class反射对象描述类语义结构，可以从Class对象中获取构造函数、成员变量、方法类等类元素的反射对象，并以编程的方式通过这些反射对象对目标类对象进行操作。这些反射对象类在java.reflect包中定义，下面是最主要的三个反射类：

  •   Constructor：类的构造函数反射类，通过Class#getConstructors()方法可以获得类的所有构造函数反射对象数组。在JDK5.0中，还可以通过getConstructor(Class... parameterTypes)获取拥有特定入参的构造函数反射对象。Constructor的一个主要方法是newInstance(Object[] initargs)，通过该方法可以创建一个对象类的实例，相当于new关键字。在JDK5.0中该方法演化为更为灵活的形式：newInstance
    (Object... initargs)。
  •   Method：类方法的反射类，通过Class#getDeclaredMethods()方法可以获取类的所有方法反射类对象数组Method[]。在JDK5.0中可以通过getDeclaredMethod(String name, Class... parameterTypes)获取特定签名的方法，name为方法名；Class...为方法入参类型列表。Method最主要的方法是invoke(Object obj, Object[] args)，obj表示操作的目标对象；args为方法入参，代码清单3
    10③处演示了这个反射类的使用方法。在JDK 5.0中，该方法的形式调整为invoke(Object obj, Object... args)。此外，Method还有很多用于获取类方法更多信息的方法：       1）Class getReturnType()：获取方法的返回值类型；

          2）Class[] getParameterTypes()：获取方法的入参类型数组；
          3）Class[] getExceptionTypes()：获取方法的异常类型数组；
          4）Annotation[][] getParameterAnnotations()：获取方法的注解信息，JDK 5.0中的新方法；
  •   Field：类的成员变量的反射类，通过Class#getDeclaredFields()方法可以获取类的成员变量反射对象数组，通过Class#getDeclaredField(String name)则可获取某个特定名称的成员变量反射对象。Field类最主要的方法是set(Object obj, Object value)，obj表示操作的目标对象，通过value为目标对象的成员变量设置值。如果成员变量为基础类型，用户可以使用Field类中提供的带类型名的值设置方法，如setBoolean(Object
    obj, boolean value)、setInt(Object obj, int value)等。

此外，Java还为包提供了Package反射类，在JDK 5.0中还为注解提供了AnnotatedElement反射类。总之，Java的反射体系保证了可以通过程序化的方式访问目标类中所有的元素，对于private或protected的成员变量和方法，只要JVM的安全机制允许，也可以通过反射进行调用，请看下面的例子：

代码清单3-12  PrivateCarReflect

Java代码
复制代码 收藏代码
  1. package com.baobaotao.reflect;   
  2. public class PrivateCar {   
  3.        //①private成员变量：使用传统的类实例调用方式，只能在本类中访问
      
  4.    private String color;    
  5.         //②protected方法：使用传统的类实例调用方式，只能在子类和本包中访问
      
  6.    protected void drive(){   
  7.           
  8. System.out.println("drive private car! the color is:"+color);   
  9.    }   
  10. }  

color变量和drive()方法都是私有的，通过类实例变量无法在外部访问私有变量、调用私有方法的，但通过反射机制却可以绕过这个限制：

代码清单3-13  PrivateCarReflect

Java代码
复制代码 收藏代码
  1. …   
  2. public class PrivateCarReflect {   
  3.    public static void main(String[] args) throws Throwable{   
  4.        ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();   
  5.        Class clazz = loader.loadClass("com.baobaotao.reflect.PrivateCar");   
  6.        PrivateCar pcar = (PrivateCar)clazz.newInstance();   
  7.           
  8.        Field colorFld = clazz.getDeclaredField("color");   
  9.         //①取消Java语言访问检查以访问private变量
      
  10.        colorFld.setAccessible(true);    
  11.        colorFld.set(pcar,"红色");   
  12.           
  13.        Method driveMtd = clazz.getDeclaredMethod("drive",(Class[])null);   
  14.         //Method driveMtd = clazz.getDeclaredMethod("drive"); JDK5.0下使用
      
  15.           
  16.         //②取消Java语言访问检查以访问protected方法
      
  17.        driveMtd.setAccessible(true);    
  18.         driveMtd.invoke(pcar,(Object[])null);   
  19.   }   
  20. }  

运行该类，打印出以下信息：

引用
drive private car! the color is:红色

在访问private、protected成员变量和方法时必须通过setAccessible(boolean access)方法取消Java语言检查，否则将抛出IllegalAccessException。如果JVM的安全管理器设置了相应的安全机制，调用该方法将抛出SecurityException。

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