Java反射Reflect机制详解

Java技术债务2024-06-07 17:09

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引言

Java反射是Java语言中的一种动态机制，它允许在运行时检查和操作类的结构和行为。反射的强大功能使得程序可以在运行时动态加载类、调用方法和访问字段，从而极大地增强了Java程序的灵活性和扩展性。

反射的基本概念

反射（Reflection）是指程序在运行时能够自我检查和操作自身的能力。通过反射，可以获取类的构造器、方法、字段等信息，并能动态调用对象的方法、设置或获取对象的字段值。

反射关键信息

  • Class: 代表类的实体，在运行时加载类时会创建对应的Class对象。
  • Constructor: 代表类的构造方法。
  • Method: 代表类的方法。
  • Field: 代表类的字段。

Java反射最核心的类位于JDK源码 java.lang.reflect包下，比如Class、Constructor、Field 和 Method等，他们提供了对类和对象运行时信息进行检查和操作的方法。

反射基本原理

Java反射的核心在于Class类，它包含了关于类的所有信息。在Java虚拟机（JVM）加载类时，会为每个类创建一个对应的Class对象，该对象保存了类的元数据。通过这些元数据，程序可以在运行时获取类的详细信息并进行操作。

主要可以从下面 4个点来阐述：

  1. 类加载：当 Java程序运行时，类加载器会根据类的名称查找并加载类的字节码文件，然后将字节码文件转换为可执行的 Java类，并将其存储在运行时数据区域的方法区中。
  2. 创建 Class对象 ：在类加载过程中，Java虚拟机会自动创建对应的Class对象，Class对象包含了类的元数据信息，并提供了访问和操作类的接口。
  3. 获取 Class对象：Class对象通过多种方式获取，最常见的方式有 3种: 类的 .class属性、类实例的 getClass()方法、Class.forName()。
  4. 访问和操作 ：通过Class对象获取类的字段、方法、构造函数等信息,使用Field类和Method类来访问和操作字段和方法，甚至可以调用私有的字段和方法。

通过上述的分析可以看出：反射机制需要基于Java虚拟机对类的加载、存储和访问机制的支持，通过反射，可以在运行时动态地探索和操作类的信息，实现灵活的编程和代码的动态行为。

反射应用场景

很多优秀的框架内部都使用了Java反射，这里重点讲解下给 Java打下半壁江山的 Spring生态（Spring Framework，Spring MVC，SpringBoot， SpringCloud...），以 Spring Framework为例：

  1. 依赖注入（Dependency Injection） : 依赖注入，可以把程序员主动创建对象的事情交给 Spring管理，大大提升了对象创建的灵活性。当我们在配置文件或用注解定义 Bean时，Spring会使用反射来动态地实例化对象，并将依赖的其他对象注入到这些实例中。
  2. 自动装配（Autowired） : 当 Spring容器启动时，它会扫描应用程序中的所有类，并使用反射来查找和识别带有 @Autowired注解的字段、方法或构造函数。再自动将 Bean注入到需要的位置，实现对象之间的自动连接。
  3. AOP（Aspect-Oriented Programming） : AOP 利用了动态代理和反射机制。通过定义切面（Aspect）和切点（Pointcut），Spring可以在运行时使用反射来创建代理对象，从而实现横切关注点（cross-cutting concerns）的功能，如日志记录、事务管理等。
  4. 动态代理（Dynamic Proxy） : Spring利用 Java反射机制动态地创建代理对象，并在代理对象中添加额外的逻辑，从而实现对目标对象的增强。
  5. 框架扩展和定制: Spring通过反射机制来实现对应用程序的扩展和定制的。例如，Spring提供了BeanPostProcessor接口，允许开发人员在 Bean初始化前后插入自定义逻辑，这是通过反射来实现的。

另外，还有一些耳熟能详的框架也使用了Java反射：

  1. JUnit：JUnit是一个优秀的单元测试框架，它利用了 Java反射机制动态地加载和执行测试方法。
  2. Jackson：Jackson是一个 JSON处理的 Java库，它利用反射来实现 JSON与 Java对象之间的转换，动态读取和写入 Java对象的属性，并将其转换为 JSON格式。
  3. Hibernate ORM：Hibernate和 MyBatis一样，都是对象关系映射框架，通过反射来实现对象与数据库表之间的映射关系。

总结以下几点：

  • 框架设计: 许多Java框架（如Spring、Hibernate）广泛使用反射来实现依赖注入、面向切面编程等功能。
  • 调试和测试: 反射允许动态访问和修改对象，方便调试和测试私有方法和字段。
  • 动态代理: 通过反射实现动态代理，增强程序的灵活性和可扩展性。
  • 类浏览器和可视化工具: 反射帮助开发工具展示类的结构和关系。

反射基本使用

获取类的Class对象

java 复制代码 
Class<?> clazz = Class.forName("com.example.MyClass");
// 或者
Class<?> clazz = MyClass.class;
// 或者
Class<?> clazz = myObject.getClass();

获取构造方法并实例化对象

java 复制代码 
Constructor<?> constructor = clazz.getConstructor(String.class);
Object instance = constructor.newInstance("example");

获取和调用方法

java 复制代码 
Method method = clazz.getMethod("myMethod", String.class);
method.invoke(instance, "Hello");

获取和修改字段

java 复制代码 
Field field = clazz.getDeclaredField("myField");
// 允许访问私有字段
field.setAccessible(true); 
field.set(instance, "New Value");
String value = (String) field.get(instance);

反射工具类

cpp 复制代码 
@Slf4j
public class ReflectionUtil {
    /**
     * 获取属性名以及对应的属性值
     *
     * @param o 对象
     * @return map
     */
    public static Map<String, Object> getFieldNameAndValue(Object o) {

        Map<String, Object> resMap = new LinkedHashMap<>();
        Class<?> clazz = o.getClass();
        while (Objects.nonNull(clazz)) {
            Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();
            for (Field field : fields) {
                String fieldName = field.getName();
                if (Objects.isNull(resMap.get(fieldName))) {
                    resMap.put(fieldName, getFieldValueByName(fieldName, o));
                }
            }
            clazz = clazz.getSuperclass();
        }
        return resMap;
    }
    /**
     * 获取属性名以及对应的属性值
     *
     * @param list 对象数组
     * @return list\<map\>
     */
    public static List<Map<String, Object>> getFieldNameAndValueMaps(List<?> list) {

        List<Map<String, Object>> resMaps = new ArrayList<>(list.size());
        for (Object o : list) {
            if (Objects.isNull(o)) {
                throw new RuntimeException("Arrays Cannot Contain Null... ...");
            }
            Map<String, Object> fieldNameAndValueMap = getFieldNameAndValue(o);
            resMaps.add(fieldNameAndValueMap);
        }
        return resMaps;
    }

    public static List<String> getFieldNames(Class<?> clazz) {
        List<String> fieldList = new ArrayList<>();
        while (Objects.nonNull(clazz)) {
            Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();
            for (Field field : fields) {
                String fieldName = field.getName();
                fieldList.add(fieldName);
            }
            clazz = clazz.getSuperclass();
        }
        return fieldList;
    }

    /**
     * 获取类上的指定字段。如果在类本身上找不到该字段，则将递归检查超类。
     *
     * @param clazz     source class
     * @param fieldName 字段名
     * @return 字段
     */
    private static Field getField(Class<?> clazz, String fieldName) {
        try {
            return clazz.getDeclaredField(fieldName);
        } catch (NoSuchFieldException nsf) {
            if (clazz.getSuperclass() != null) {
                return getField(clazz.getSuperclass(), fieldName);
            }

            throw new IllegalStateException("Could not locate field '" + fieldName + "' on class " + clazz);
        }
    }

    /**
     * 根据属性名获取属性值
     *
     * @param fieldName 属性名称
     * @param o         对象
     * @return Object
     */
    public static Object getFieldValueByName(String fieldName, Object o) {
        try {
            String firstLetter = fieldName.substring(0, 1).toUpperCase();
            String getter = "get" + firstLetter + fieldName.substring(1);
            Method method = o.getClass().getMethod(getter);
            return method.invoke(o);
        } catch (Exception e) {
            log.info("根据属性名获取属性值异常：" + e.getMessage() + "\n" + e);
            return null;
        }
    }

    @SuppressWarnings({"all"})
    public static void setFiledValue(Object bean, String filedName, Object value) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Class<?> aClass = bean.getClass();
        Field field = getField(aClass, filedName);
        field.setAccessible(true);
        field.set(bean, value);
    }
}

反射源码解读

反射的实现依赖于JVM提供的本地方法接口（JNI），通过调用本地方法实现对类信息的获取和操作。

获取Class对象的源码

java 复制代码 
public static Class<?> forName(String className) throws ClassNotFoundException {
    ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    if (classLoader == null) {
        classLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
    }
    return classLoader.loadClass(className);
}

调用方法的源码

java 复制代码 
public Object invoke(Object obj, Object... args) throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException {
      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();
      }
      return ma.invoke(obj, args);
}

从源码可以看出：Method.invoke()方法，真实返回的是接口MethodAccessor.invoke()方法。MethodAccessor接口有三个实现类，具体是调用哪个类的 invoke 方法？

跟到源码最后可以发现：Method.invoke()方法最终调用 native的invoke0()，应用层面的操作最终转换成对操作系统 c/c++方法的调用。

反射优缺点

优点

  • 灵活性: 反射允许在运行时动态操作类，提高了程序的灵活性和扩展性。
  • 动态代理: 通过反射可以实现动态代理机制，广泛应用于AOP（面向切面编程）等领域。
  • 通用性: 反射可以用来编写通用的框架和库，增强代码的重用性。

缺点

  • 性能开销: 反射操作较为耗时，可能会影响程序性能。
  • 安全问题: 反射可以绕过访问控制，修改私有字段和方法，可能引发安全问题。
  • 代码复杂性: 使用反射可能增加代码的复杂性和维护难度。

为什么需要反射

反射机制在 Java中的作用不言而喻，下面列举了反射机制的一些常见场景和原因：

  1. 运行时类型检查：反射机制允许在运行时获取类的信息，包括字段、方法和构造方法等。因此，在进行运行时类型检查，以确保代码在处理不同类型的对象时能够正确地进行操作。
  2. 动态创建对象：通过反射，可以在运行时动态地创建对象，而不需要在编译时知道具体的类名。这对于某些需要根据条件或配置来创建对象的情况非常有用，例如工厂模式或依赖注入框架。
  3. 访问和修改私有成员：反射机制可以绕过访问权限限制，访问和修改类的私有字段和方法。虽然这破坏了封装性原则，但在某些特定情况下，这种能力可以帮助我们进行一些特殊操作，例如单元测试、调试或框架的内部实现。
  4. 动态调用方法：反射机制允许我们在运行时动态地调用类的方法，甚至可以根据运行时的条件来选择不同的方法。这对于实现插件化系统、处理回调函数或实现动态代理等功能非常有用。
  5. 框架和库的实现：许多Java框架和库在其实现中广泛使用了反射机制。它们利用反射来自动发现和加载类、实现依赖注入、处理注解、配置文件解析和动态代理等。反射机制使得这些框架和库更加灵活和扩展。

总结

Java反射是一个强大的工具，极大地增强了Java语言的动态性和灵活性。然而，在使用反射时需要权衡其性能开销和安全风险。Java反射有优点也有缺点，从整体上看，Java反射是以牺牲了小部分的性能换取了更好的扩展性和灵活性，牺牲小我成就大我，而且，随着现代硬件设备能力越来越强，这点小性能的牺牲是完全值得的。理解反射的原理和使用场景，可以更好地应用反射技术来解决实际开发中的问题。

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