浅谈反射机制

Hardy Army2024-07-06 8:01

1. 何为反射？

反射（Reflection）机制指的是程序在运行的时候能够获取自身的信息。具体来说，反射允许程序在运行时获取关于自己代码的各种信息。如果知道一个类的名称或者它的一个实例对象， 就能把这个类的所有方法和变量的信息(方法名，变量名，方法，修饰符，类型，方法参数等等所有信息)找出来。这种动态获取的信息以及动态调用对象的方法的功能称为java语言的反射机制。简单来说，就是面向对象看待一个类，即以面向对象的思想来抽象一个类。

反射是一种强大的功能，广泛应用于框架设计、依赖注入、单元测试和动态代理等领域。然而，由于反射会绕过编译时的类型安全检查，所以使用不当可能会导致更高的运行时错误几率和性能开销。因此，在使用反射时需要格外谨慎，以避免潜在的风险。

2. 反射的意义所在？

  1. 通过反射机制可以让程序创建和控制任何类的对象，无需提前硬编码目标类。
  2. 使用反射机制能够在运行时构造一个类的对象、判断一个类所具有的成员变量和方法、调用一个对象的方法。
  3. 反射机制是构建框架技术的基础所在，使用反射可以避免将代码写死在框架中。

不过反射也存在明显的缺点：使用反射性能较低，需要解析字节码，且如果将内存中的对象进行解析，相对不安全，会破坏封装性。

3. 通过反射实例化对象

在Java中，可以通过反射获取类的构造器、方法、字段等信息：

java 复制代码 
class Test {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, InstantiationException, IllegalAccessException {

        // 下面这段代码是以反射机制的方式创建对象。

        // 通过反射机制，获取Class，通过Class来实例化对象
        Class c = Class.forName("com.reflectBean.User");

        // newInstance() 这个方法会调用User这个类的无参数构造方法，完成对象的创建。
        // 重点是：newInstance()调用的是无参构造，必须保证无参构造是存在的！
        Object obj = c.newInstance();

        Method method = c.getMethod("myMethod");
        method.invoke(obj);
    }
}

4. 获取Class类的三种方式

在Java编程中，获取 Class 对象的三种常用方式如下：

  1. 通过类名的静态属性 class: 这是获取 Class 对象最简单的方法，适用于已知编译时类型的情况。
java 复制代码 
Class<MyClass> clazz = MyClass.class;
  1. 通过对象的实例方法 getClass: 这是在运行时获取一个对象的 Class 对象的方法，适用于已知一个实例化对象的情况。
java 复制代码 
MyClass obj = new MyClass();
Class<? extends MyClass> clazz = obj.getClass();
  1. 通过类名的字符串 forName: 这是动态加载类的一种方式，特别有用在类名只有在运行时才能确定的情况下。
java 复制代码 
try {
    Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");
} catch (ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}

5. 常用的Class类的方法

Class 类在 Java 中定义了大量的方法，可以用来反射性地获取类的各种信息或进行操作。不过需要注意的是，在使用反射进行私有成员访问时，需要设置相应的访问权限，如 setAccessible(true)。以下是一些常用的方法：

  1. 类信息获取方法

  • getName()：返回完整类名带包名。

  • getSimpleName()：获取类的简单名称。

  • getCanonicalName()：获取类的规范名称。

  • getPackage()：获取类所在的包。

  • getModifiers()：获取类的修饰符（如 public, abstract, final 等）。

  1. 构造函数相关方法

  • getConstructor(Class<?>... parameterTypes)：获取指定参数类型的公共构造函数。

  • getConstructors()：获取所有公共构造函数。

  • getDeclaredConstructor(Class<?>... parameterTypes)：获取指定参数类型的任意（包括私有）构造函数。

  • getDeclaredConstructors()：获取所有任意（包括私有）构造函数。

  1. 方法相关方法
  • getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)：获取指定名称和参数类型的公共方法。
  • getMethods()：获取所有公共方法，包括从父类继承的方法。
  • getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)：获取指定名称和参数类型的任意方法。
  • getDeclaredMethods()：获取所有任意方法（包括私有）。
  1. 字段（成员变量）相关方法
  • getField(String name)：获取指定名称的公共字段。
  • getFields()：获取所有公共字段。
  • getDeclaredField(String name)：获取指定名称的任意字段。
  • getDeclaredFields()：获取所有任意字段（包括私有）。
  1. 类层次结构相关方法
  • getSuperclass()：获取父类。
  • getInterfaces()：获取实现的接口。
  • isAssignableFrom(Class<?> cls)：判断当前类或接口是否可以从指定类型的对象赋值（即能否进行类型转换）。
  1. 实例创建方法
  • newInstance()：创建类的实例，需要无参构造函数。
  1. 其他方法
  • getAnnotations()：获取类上的注解。
  • isAnnotation()：判断类是否是注解类型。
  • isInterface()：判断是否为接口。
  • isArray()：判断是否为数组。
  • isPrimitive()：判断是否为基本数据类型。
  • isInstance(Object obj)：判断给定对象是否为该 Class 的实例。

6. 获取Field的四种方式

在Java中，可以通过Class对象获取某个类的字段（Field），Field类代表类的成员变量。获取 Field的几种常用方式如下：

  1. 通过字段名获取公共字段 (public 属性)：
java 复制代码 
try {
    Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");
    Field field = clazz.getField("userName");
    // 对 field 进行操作
    // ...

} catch (NoSuchFieldException | ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}
  1. 获取所有公共字段 (public 属性)：
java 复制代码 
try {
    Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");
    Field[] fields = clazz.getFields();
    for (Field field : fields) {
        // 对每个 field 进行操作
        // ...    
    }
} catch (ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}
  1. 通过字段名获取任何字段（包括私有、保护和包访问属性）：
java 复制代码 
try {
    Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");
    Field field = clazz.getDeclaredField("password");
    // 允许访问私有字段
    field.setAccessible(true);  
    // 对 field 进行操作，比如设置可访问性
    field.setAccessible(true);
} catch (NoSuchFieldException | ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}
  1. 获取所有字段（包括私有、保护和包访问属性）：
java 复制代码 
try {
    Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");
    Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();
    for (Field field : fields) {
        // 对每个 field 进行操作，比如设置可访问性
        field.setAccessible(true);
    }
} catch (ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}

7. 常用的Field类的方法

在Java中，Field类提供了许多方法，用于获取和操作类的字段（成员变量）。以下是一些常用的方法：

  1. 获取字段信息的方法
  • getName()：返回字段的名称。
  • getType()：返回表示字段类型的 Class 对象。
  • getGenericType()：返回表示字段的 Type 对象，包括泛型类型信息。
  • getModifiers()：返回字段的修饰符整数编码（使用 Modifier 类中的方法可以解码）。
  1. 访问和修改字段值的方法
  • get(Object obj)：从指定对象中获取该字段的值。
  • getByte(Object obj)：从指定对象中获取该字段的值（byte类型）。
  • set(Object obj, Object value)：将指定对象的该字段设置为新的值。
  1. 访问控制
  • setAccessible(boolean flag)：设置字段的可访问性。即使字段是私有的，通过设置可访问性也可以访问它。

8. 获取Method的四种方式

在Java中，可以通过反射机制获取类的方法（Method）对象。以下是几种常用的方法获取方式：

  1. 通过方法名和参数类型获取公共方法
java 复制代码 
try {
            // 获取类的Class对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");
            // 通过方法名和参数类型获取公共方法
            Method method = clazz.getMethod("publicMethod", String.class);
            // 调用方法
            method.invoke(null, "参数");

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
  1. 获取所有公共方法
java 复制代码 
try {
            // 获取类的Class对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");

            // 获取所有公共方法
            Method[] methods = clazz.getMethods();

            // 遍历所有方法
            for (Method method : methods) {
                // 获取方法名
                String methodName = method.getName();
                // 判断方法名是否为getName
                if (methodName.equals("getName")) {
                    // 执行getName方法
                    Object result = method.invoke(user);
                    System.out.println(result);
                }
            }

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
  1. 通过方法名和参数类型获取任意方法（包括私有、保护和默认访问权限的方法）
java 复制代码 
try {
            // 获取类的Class对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");

            // 通过方法名和参数类型获取任意方法
            Method method = clazz.getDeclaredMethod("privateMethod", int.class);
             // 调用方法
            method.invoke(new com.reflectBean.User(), 100);

            // 允许访问私有方法
            method.setAccessible(true);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
  1. 获取所有的任意方法（包括私有、保护和默认访问权限的方法）
java 复制代码 
try {
            // 获取类的Class对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.example.MyClass");

            // 获取所有任意方法
            Method[] methods = clazz.getDeclaredMethods();
            for (Method method : methods) {
                // 对每个 method 进行操作
                // ...
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

9. 常用的Method的方法

Method类在Java反射中提供了许多方法，这些方法可以用于获取方法的各类信息、调用方法以及操作注解等。以下是一些常用的Method类方法：

  1. 获取方法信息的方法
  • String getName()：获取方法的名称。
  • Class<?> getDeclaringClass()：获取声明此方法的类或接口的Class对象。
  • Class<?> getReturnType()：获取方法的返回类型。
  • Type getGenericReturnType()：获取方法的泛型返回类型。
  • Class<?>[] getParameterTypes()：获取方法的参数类型数组。
  • Type[] getGenericParameterTypes()：获取方法的泛型参数类型数组。
  • int getParameterCount()：获取方法的参数数量。
  • Class<?>[] getExceptionTypes()：获取方法声明的异常类型数组。
  • Type[] getGenericExceptionTypes()：获取方法声明的泛型异常类型数组。
  • int getModifiers()：获取方法的修饰符，用于确定方法是public、private、protected、static等。
  • Annotation[][] getParameterAnnotations()：获取方法的参数上的注解。
  • String toGenericString()：返回描述方法的字符串，包括泛型信息。
  1. 调用方法
  • Object invoke(Object obj, Object... args)：调用此Method对象表示的底层方法。
  1. 注解相关的方法
  • <T extends Annotation> T getAnnotation(Class<T> annotationClass)：获取指定类型的注解。
  • Annotation[] getAnnotations()：获取此方法上存在的所有注解。
  • Annotation[] getDeclaredAnnotations()：获取直接存在于此方法上的所有注解。
  • <T extends Annotation> T getDeclaredAnnotation(Class<T> annotationClass)：获取直接存在于此方法上的指定类型的注解。
  • <T extends Annotation> T[] getDeclaredAnnotationsByType(Class<T> annotationClass)：获取直接存在于此方法上的指定类型的所有注解。
  • <T extends Annotation> T getAnnotationsByType(Class<T> annotationClass)：获取此方法上存在的指定类型的所有注解。
  • boolean isAnnotationPresent(Class<? extends Annotation> annotationClass)：判断此方法上是否存在指定类型的注解。
  1. 设置和获取访问控制
  • void setAccessible(boolean flag)：设置方法的可访问性。如果是 true，则强制使能此方法，即使它是私有的。
  • boolean isAccessible()：判断此方法是否可以通过反射执行。
  1. 其他常用方法
  • boolean isSynthetic()：判断此方法是否是编译器生成的合成方法。
  • boolean isVarArgs()：判断此方法是否接受可变数量的参数。

10. 实践出真知

好了，扯了那么久反射的概念和基础使用，接下来，结合反射的内容，我们来简单演示通过反射去实现一些基本业务。

10.1 如何通过反射获取和设置对象私有字段的值？

先捋清楚思路，获取和设置对象私有字段的值，大致可以分为四个步骤实现：

  1. 获取对象的 Class 对象。

  2. 通过反射获取私有字段 Field 对象。

  3. 设置字段的可访问性为 true，以绕过 Java 语言访问检查。

  4. 通过反射获取和设置字段的值。

那么接下来演示下代码的实现流程：

假设有一个包含私有字段的类：AccountBalance.class

java 复制代码 
public class AccountBalance {

    // 设置初始值为100
    private BigDecimal balance = new BigDecimal(100);

    // 默认构造函数
    public AccountBalance() {
    }

    // 打印字段值的方法
    public void printField() {
        System.out.println("当前的账户余额为: " + balance);
    }
}

接下来，我们来演示下怎么通过反射获取账户余额，然后变更私有字段：

java 复制代码 
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建 AccountBalance 对象实例
            AccountBalance account = new AccountBalance();

            // 获取 AccountBalance 的 Class 对象
            Class<?> clazz = account.getClass();

            // 获取私有字段
            Field privateField = clazz.getDeclaredField("balance");

            // 设置字段的可访问性为 true
            privateField.setAccessible(true);

            // 获取私有字段的值
            BigDecimal initBlance = (BigDecimal) privateField.get(account);
            System.out.println("最初的账号余额为： " + initBlance);

            // 设置私有字段的值
            privateField.set(account, new BigDecimal(50));

            // 验证字段值已经更新
            initBlance = (BigDecimal) privateField.get(account);
            System.out.println("本次扣除的账户余额为： " + initBlance);

            // 使用类的方法验证字段被正确修改
            account.printField();
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

控制台输出：

10.2 如何用反射机制创建对象呢？

依旧是先整理下步骤，使用反射机制创建对象，大致可分为3个步骤：

  1. 获取类的Class对象。

  2. 通过Class对象获取构造方法（构造器）。注意，这里虽然可以通过Class对象的newInstance方法简单地创建一个类的实例，但是这种方式只能调用无参构造函数，故该实例不给予演示。

  3. 使用构造方法创建类的实例。

还是假设我们有一个包含无参和有参数构造函数的类AccountBalance.class

java 复制代码 
public class AccountBalance {
    // 设置初始值为100
    private BigDecimal balance = new BigDecimal(100);

    // 默认构造函数
    public AccountBalance() {
        System.out.println("调用无参构造函数");
    }

    // 有参构造函数
    public AccountBalance(BigDecimal initialBalance) {
        this.balance = initialBalance;
        System.out.println("调用带参数的构造函数：初始化余额为 " + initialBalance);
    }

    // 打印字段值的方法
    public void printField() {
        System.out.println("当前的账户余额为: " + balance);
    }
}

使用Constructor.newInstance()创建对象并访问其方法

java 复制代码 
public void Test {

     public static void main(String[] args) {
        try {
            // 获取 AccountBalance 的 Class 对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.example.AccountBalance");

            // 获取有参构造函数
            Constructor<?> constructor = clazz.getConstructor(BigDecimal.class);

            // 使用构造函数创建实例并传递参数
            Object obj = constructor.newInstance(new BigDecimal(200));

            // 验证对象创建成功，通过调用方法
            Method printMethod = clazz.getMethod("printField");
            printMethod.invoke(obj);
            
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

10.3 如何反编译一个类的构造方法？

反编译一个类的构造方法，大致可以分为四个步骤实现：

  1. 获取需要被反编译的类的Class对象

  2. 获取类所有声明的构造方法

  3. 循环遍历所有的构造方法

  4. 获取每个构造方法的修饰符、参数类型并格式化输出

我们仍然以AccountBalance类为例进行说明。

java 复制代码 
public class AccountBalance {
    // 设置初始值为100
    private BigDecimal balance = new BigDecimal(100);

    // 默认构造函数
    public AccountBalance() {
        System.out.println("调用无参构造函数");
    }

    // 有参构造函数
    public AccountBalance(BigDecimal initialBalance) {
        this.balance = initialBalance;
        System.out.println("调用带参数的构造函数：初始化余额为 " + initialBalance);
    }

    // 打印字段值的方法
    public void printField() {
        System.out.println("当前的账户余额为: " + balance);
    }
}

进行反编译构造方法流程：

java 复制代码 
public void Test {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 获取 AccountBalance 的 Class 对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.example.AccountBalance");

            // 获取所有声明的构造方法（包括私有构造方法）
            Constructor<?>[] constructors = clazz.getDeclaredConstructors();

            for (Constructor<?> constructor : constructors) {
                // 获取构造方法的修饰符
                String modifiers = Modifier.toString(constructor.getModifiers());

                // 获取构造方法的参数类型
                Class<?>[] parameterTypes = constructor.getParameterTypes();
                StringBuilder params = new StringBuilder();
                for (int i = 0; i < parameterTypes.length; i++) {
                    params.append(parameterTypes[i].getSimpleName());
                    if (i < parameterTypes.length - 1) {
                        params.append(", ");
                    }
                }

                // 打印构造方法的详细信息
                System.out.println(modifiers + " " + clazz.getSimpleName() + "(" + params + ") { }");
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
}

10.4 给定一个类，如何获取这个类的基类以及实现的接口呢？

这种问题的思路，需要考虑两点：

  1. 怎么获取该类的父类：这点可以使用Class提供的getSuperClass()方法来获取。

  2. 怎么获取类的接口：这点可以使用Class提供的getInterfaces()方法获取实现的接口。

假设定义了以下类和接口：ChildClass.class 和 Parent.class、Car.java。

java 复制代码 
public class ChildClass extends ParentClass implements Car {

}
java 复制代码 
public class ParentClass {

}
java 复制代码 
public interface Car {
}

获取一个类的父类和实现的接口的具体示例：

java 复制代码 
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        try {
            // 获取 ChildClass 的 Class 对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.example.ChildClass");

            // 获取父类
            Class<?> superClass = clazz.getSuperclass();
            System.out.println("父类: " + superClass.getName());

            // 获取实现的接口
            Class<?>[] interfaces = clazz.getInterfaces();
            System.out.println("实现的接口:");
            for (Class<?> iface : interfaces) {
                System.out.println(iface.getName());
            }

        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
}

11. 总结

反射机制是Java语言中一种强大的功能，它让我们能够在运行时进行一些本应只能在编译时完成的操作。这个功能的特点就是使得程序可以动态地检查和操作类、方法、字段等，从而带来了极大的灵活性。简单来说，反射机制使得开发人员能够编写更加灵活和动态的代码。举个例子，我们可以根据配置文件来动态创建对象、实现依赖注入、在运行时调用方法而不需要提前知道方法的名称。

然而，反射机制虽然给我们带来了好处，但也有一些弊端需要注意。首先，反射通常会比直接调用要慢，因为它会绕过一些编译时的优化。其次，由于反射机制允许操作私有成员，可能会破坏封装性和安全性。最后，使用反射的代码可读性降低，同时也更难以维护和调试。因此，在使用反射时需要谨慎考虑其影响。

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