Java反射机制
摘要
Reflection 是Java被视为动态（或准动态）语言的一个关键性质。这个机制允许程序在运行时透过Reflection APIs取得任何一个已知名称的class的内部信息，包括其modifiers（诸如public, static 等等）、superclass（例如Object）、实现之interfaces（例如Cloneable），也包括fields和methods的所有信息，并可于运行时改变fields内容或唤起methods。本文借由实例，大面积示范Reflection APIs。
关于本文：
读者基础：具备Java 语言基础。
本文适用工具：JDK1.5
关键词：
Introspection（内省、内观）
Reflection（反射）
有时候我们说某个语言具有很强的动态性，有时候我们会区分动态和静态的不同技术与作法。我们朗朗上口动态绑定（dynamic binding）、动态链接（dynamic linking）、动态加载（dynamic loading）等。然而“动态”一词其实没有绝对而普遍适用的严格定义，有时候甚至像对象导向当初被导入编程领域一样，一人一把号，各吹各的调。
一般而言，开发者社群说到动态语言，大致认同的一个定义是：“程序运行时，允许改变程序结构或变量类型，这种语言称为动态语言”。从这个观点看，Perl，Python，Ruby是动态语言，C++，Java，C#不是动态语言。
尽管在这样的定义与分类下Java不是动态语言，它却有着一个非常突出的动态相关机制：Reflection。这个字的意思是“反射、映象、倒影”，用在Java身上指的是我们可以于运行时加载、探知、使用编译期间完全未知的classes。换句话说，Java程序可以加载一个运行时才得知名称的class，获悉其完整构造（但不包括methods定义），并生成其对象实体、或对其fields设值、或唤起其methods1。这种“看透class”的能力（the ability of the program to examine itself）被称为introspection（内省、内观、反省）。Reflection和introspection是常被并提的两个术语。
Java如何能够做出上述的动态特性呢？这是一个深远话题，本文对此只简单介绍一些概念。整个篇幅最主要还是介绍Reflection APIs，也就是让读者知道如何探索class的结构、如何对某个“运行时才获知名称的class”生成一份实体、为其fields设值、调用其methods。本文将谈到java.lang.Class，以及java.lang.reflect中的Method、Field、Constructor等等classes。
“Class”class
众所周知Java有个Object class，是所有Java classes的继承根源，其内声明了数个应该在所有Java class中被改写的methods：hashCode()、equals()、clone()、toString()、getClass()等。其中getClass()返回一个Class object。
Class class十分特殊。它和一般classes一样继承自Object，其实体用以表达Java程序运行时的classes和interfaces，也用来表达enum、array、primitive Java types（boolean, byte, char, short, int, long, float, double）以及关键词void。当一个class被加载，或当加载器（class loader）的defineClass()被JVM调用，JVM 便自动产生一个Class object。如果您想借由“修改Java标准库源码”来观察Class object的实际生成时机（例如在Class的constructor内添加一个println()），不能够！因为Class并没有public constructor（见图1）。本文最后我会拨一小块篇幅顺带谈谈Java标准库源码的改动办法。
Class是Reflection故事起源。针对任何您想探勘的class，唯有先为它产生一个Class object，接下来才能经由后者唤起为数十多个的Reflection APIs。这些APIs将在稍后的探险活动中一一亮相。
#001 public final
#002 class Class<T> implements java.io.Serializable,
#003 java.lang.reflect.GenericDeclaration,
#004 java.lang.reflect.Type,
#005 java.lang.reflect.AnnotatedElement {
#006 private Class() {}
#007 public String toString() {
#008 return ( isInterface() ? "interface " :
#009 (isPrimitive() ? "" : "class "))
#010 + getName();
#011 }
...
图1：Class class片段。注意它的private empty ctor，意指不允许任何人经由编程方式产生Class object。是的，其object 只能由JVM 产生。
“Class” object的取得途径
Java允许我们从多种管道为一个class生成对应的Class object。图2是一份整理。
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Class object 诞生管道 |
示例 |
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运用getClass() 注：每个class 都有此函数 |
String str = "abc"; Class c1 = str.getClass(); |
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运用 Class.getSuperclass()2 |
Button b = new Button(); Class c1 = b.getClass(); Class c2 = c1.getSuperclass(); |
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运用static method Class.forName() （最常被使用） |
Class c1 = Class.forName ("java.lang.String"); Class c2 = Class.forName ("java.awt.Button"); Class c3 = Class.forName ("java.util.LinkedList$Entry"); Class c4 = Class.forName ("I"); Class c5 = Class.forName ("[I"); |
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运用 .class 语法 |
Class c1 = String.class; Class c2 = java.awt.Button.class; Class c3 = Main.InnerClass.class; Class c4 = int.class; Class c5 = int[].class; |
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运用 primitive wrapper classes 的TYPE 语法 |
Class c1 = Boolean.TYPE; Class c2 = Byte.TYPE; Class c3 = Character.TYPE; Class c4 = Short.TYPE; Class c5 = Integer.TYPE; Class c6 = Long.TYPE; Class c7 = Float.TYPE; Class c8 = Double.TYPE; Class c9 = Void.TYPE; |
图2：Java 允许多种管道生成Class object。
Java classes 组成分析
首先容我以图3的java.util.LinkedList为例，将Java class的定义大卸八块，每一块分别对应图4所示的Reflection API。图5则是“获得class各区块信息”的程序示例及执行结果，它们都取自本文示例程序的对应片段。
package java.util; //(1)
import java.lang.*; //(2)
public class LinkedList<E> //(3)(4)(5)
extends AbstractSequentialList<E> //(6)
implements List<E>, Queue<E>,
Cloneable, java.io.Serializable //(7)
{
private static class Entry<E> { … }//(8)
public LinkedList() { … } //(9)
public LinkedList(Collection<? extends E> c) { … }
public E getFirst() { … } //(10)
public E getLast() { … }
private transient Entry<E> header = …; //(11)
private transient int size = 0;
}
图3：将一个Java class 大卸八块，每块相应于一个或一组Reflection APIs（图4）。
Java classes 各成份所对应的Reflection APIs
图3的各个Java class成份，分别对应于图4的Reflection API，其中出现的Package、Method、Constructor、Field等等classes，都定义于java.lang.reflect。
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Java class 内部模块（参见图3） |
Java class 内部模块说明 |
相应之Reflection API，多半为Class methods。 |
返回值类型(return type) |
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(1) package |
class隶属哪个package |
getPackage() |
Package |
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(2) import |
class导入哪些classes |
无直接对应之API。 解决办法见图5-2。 |
||
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(3) modifier |
class（或methods, fields）的属性 |
int getModifiers() Modifier.toString(int) Modifier.isInterface(int) |
int String bool |
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(4) class name or interface name |
class/interface |
名称getName() |
String |
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(5) type parameters |
参数化类型的名称 |
getTypeParameters() |
TypeVariable <Class>[] |
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(6) base class |
base class（只可能一个） |
getSuperClass() |