用Java反射（Reflection）解释Spring Boot 中依赖注入的原理

小宋是个程序员2024-11-18 21:03

首先我们在学习原理前，需要先了解下反射

Reflection(反射)

在有些场景中，需要在运行时动态的操作类的成员，比如在运行时根据数据库中提供具体的类名或方法名，或者根据字符串来动态实例化对象或者调用方法时，就不能通过new（）对象,的方式 创建类或者 是使用类中的方法了

关键思路在于创建 class对象

我们写的每一个类如下被虚拟机解析

JVM是如何创建 Class 对象的

首先通过.java 编译成 .class 文件，然后通过 Class Loader 加载到内存， 随后JVM根据内存中的信息创建响应的Class 对象。

如何获取某个类的Class 对象

  • 直接用类名.class， 就是某个类的class对象

    java 复制代码 
    Class<User> userClass = User.class;

  • 通过对象的.getClass() 方法,我们在编译阶段无法准确地判断Class对象的确切类型

    java 复制代码 
    Class<?> clazz = user.getClass(); //使用通配符

  • 通过Class.forName() 方法获取 类型

    java 复制代码 
    Class<?> class = Class.forName("org.blcu.taco.User")
    • 参数为完全类的限定名
    • 通过这种方法获取类的对象时，类的静态代码块会立即执行。
某个类的Class对象的常用操作

假设我们有一个类为：

java 复制代码 
public class Son {
    private final String idNum;
    public String school;
    public String name;
    private static final String staticField = "Son static field"
    public Son (String idNum,String name) {
        this.idNum = idNum;
        this.name = name;
    }
    static {
        System.out.println("Son static block");
    }

    public static void sayHello() {
        System.out.println("Son say hello");
    }

    public void sayHi(String name) {
        System.out.println("Son say hi to " + name);
    }

    private static void sayBye() {
        System.out.println("Son sayBye");
    }

    private static void sayBye(String what) {
        System.out.println("Son".concat(what));
    }

    private void sayBye1() {
        System.out.println(this.name+"Son sayBye1");
    }

}

那当我们获取了Son 的 Class 对象后，我们能做什么操作呢？

  • 获取所有字段名

    java 复制代码 
    // 获取Son类的Class对象
Class<?> aClass = Class.forName("studydemo.reflection.Son");
// 通过这种方法获取类的对象时，类的静态代码块会立即执行, 此时我们的静态代码块就会执行，输出：son static block


// 获取反射类中所有的公有字段
Field[] fields = aClass.getFields();
for (Field field : fields) {
    System.out.println(field.getName());
}

// 获取所有的字段名，包括共有和私有
Field[] declaredFields1 = aClass.getDeclaredFields();
for (Field field : declaredFields1) {
    System.out.println(field.getName());
}

  • 获取本类中所有的方法名

    java 复制代码 
    // 获取Son类的Class对象
Class<?> aClass = Class.forName("studydemo.reflection.Son");
// 获取所有的方法名
Method[] declaredMethods = aClass.getDeclaredMethods();
for (Method declaredMethod : declaredMethods) {
    System.out.println(declaredMethod.getName());
}

  • 通过名称访问静态变量和静态方法（静态变量、静态方法、代码块在类加载时就已经被初始化了，所以才可以访问）

    • 访问静态变量

      java 复制代码 
      // 按照名称获取变量或方法
Field declaredField = aClass.getDeclaredField("staticField");
// 因为字段是私有的所以要给它访问的权限
declaredField.setAccessible(true);
// 获取的是静态变量并要取值
Object o = declaredField.get(null);
System.out.println(o);
// 输出：Son static field

    • 访问静态方法

      java 复制代码 
      // invoke函数是执行通过一个类的class对象获取的方法的
Method sayBye = aClass.getDeclaredMethod("sayBye");
// 因为方法时私有的，所以要给它访问的权限
sayBye.setAccessible(true);
sayBye.invoke(null);
// 输出："Son sayBye"

// 访问带参的静态方法
Method sayBye1 = aClass.getDeclaredMethod("sayBye", String.class);
sayBye1.setAccessible(true);
sayBye1.invoke(null,"88");
// 输出 say88

  • 使用反射类创建类的实例

    主要就是Class对象有两个函数：getConstructor() 和 newInstance()， 第一个用来获取构造函数，第二个用来使用该构造器创建类的实例

    • 使用反射来创建类的实例(无参构造方法)

      java 复制代码 
      Constructor<?> constructor = aClass.getConstructor();
Object o1 = constructor.newInstance();

    • 使用反射来创建类的实例(有参构造方法)

      java 复制代码 
      Constructor<?> declaredConstructor = aClass.getDeclaredConstructor(String.class, String.class);
Object o2 = declaredConstructor.newInstance("01", "syl");

  • 创建实例之后执行类的私有方法（不是静态私有方法，这里要和静态私有方法做区分，静态私有方法是不用先实例化对象的）

    java 复制代码 
    Method sayBye11 = aClass.getDeclaredMethod("sayBye1");
Constructor<?> declaredConstructor = aClass.getDeclaredConstructor(String.class, String.class);
Object o2 = declaredConstructor.newInstance("01", "syl");
// 私有方法，设置访问劝降为 true
sayBye11.setAccessible(true);
// 传入的对象就为实例化的对象
sayBye11.invoke(o2);
// 输出：sylSon sayBye1

  • 创建实例之后访问类的final型私有变量

    java 复制代码 
    Field declaredField1 = aClass.getDeclaredField("idNum");
declaredField1.setAccessible(true);
declaredField1.set(o2,"11111");
System.out.println(declaredField1.get(o2));

    我们可以发现，在使用反射的情况下，final型变量也可以被修改，我们在平常使用中，要避免出现这种情况。

  • 如何在运行时进行类型转化，在反射过程中如何保证类型安全

    • 如何在运行时进行类型转换

      java 复制代码 
      Method sayBye11 = aClass.getDeclaredMethod("sayBye1");
Constructor<?> declaredConstructor = aClass.getDeclaredConstructor(String.class, String.class);
Object o2 = declaredConstructor.newInstance("01", "syl");
// 进行类型转换
Son son = (Son) o2;

    • 转化时如何保证类型安全

      java 复制代码 
      if(o2 instanceof Son) {
    Son son = (Son) o2;
}

通过上述如此多的例子，我们对反射的基本使用有了一些了解，那么我们用一个案例来模拟spring boot 自动注入的流程

  • 创建一个Config类 (对标Spring Boot 的@Configure + @Bean), Config中的类，都会被装配到我们的Container类中（对标SpringBoot的容器）

    java 复制代码 
    package studydemo.reflection.autowired;

import org.springframework.context.annotation.Bean;

public class Config {

    @Bean
    public Customer customer() {
        return new Customer("syl","2819719869@qq.com");
    }

    @Bean
    public Address address() {
        return new Address("345","467100");
    }

    public Message message() {
        return  new Message("hi there!");
    }
}

  • 创建一个Container类（对标Spring Boot的容器）,其中的 init()方法，相当于Spring Boot 的run 方法， 这里面的 init()、 getServiceInstanceByClass（）和createInstance（） 时浓缩的精华，我们慢慢来看

    java 复制代码 
    package studydemo.reflection.autowired;

import com.baomidou.mybatisplus.core.toolkit.ObjectUtils;
import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.NoArgsConstructor;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.context.annotation.Bean;

import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;


// 相当于Spring Boot 容器
@NoArgsConstructor
public class Container {

    // Method 存储的方法本身，而不是方法执行后返回的实例，具体的实例将在使用时执行这些方法来获取，这种方法可以节约资源并提高性能
    private Map<Class<?>, Method> methods;
    private Object config;

    private Map<Class<?>,Object> services;


    // 相当于Spring Boot 的 run 方法
    public void init() throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
        this.methods = new HashMap<>();
        this.services = new HashMap<>();
        Class<?> clazz = Class.forName("studydemo.reflection.autowired.Config");
        Method[] declaredMethods = clazz.getDeclaredMethods();
        for (Method declaredMethod : declaredMethods) {
            if(ObjectUtils.isNotNull(declaredMethod.getAnnotation(Bean.class) != null)) {
                this.methods.put(declaredMethod.getReturnType(),declaredMethod);
            }
            System.out.println(declaredMethod.getName());
        }
        this.config = clazz.getConstructor().newInstance();
    }

    // 通过类的Class 对象，获取相应的的服务实例
    // 执行该方法后，我们确实获取了该方法的对象，我们每次调用这个方法时，都会创造一个实例，这在性能上可能会有点问题，因为许多服务都是全局的，这里在一个容器中应该用单例模式
    public Object getServiceInstanceByClass(Class<?> clazz) throws InvocationTargetException, IllegalAccessException {
        if(this.services.containsKey(clazz)) {
            return this.services.get(clazz);
        }
        if(this.methods.containsKey(clazz)) {
            Method method = this.methods.get(clazz);
            Object obj = method.invoke(this.config);
            this.services.put(clazz,obj);
            return obj;
        }
        return null;
    }

    // 用于通过Class对象创建普通实例，并且实现将服务自动注入到对象里面
    public Object createInstance(Class<?> clazz) throws InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException, NoSuchMethodException {
        Constructor<?>[] declaredConstructors = clazz.getDeclaredConstructors();
        for (Constructor<?> declaredConstructor : declaredConstructors) {
            if(ObjectUtils.isNotNull(declaredConstructor.getAnnotation(Autowired.class))) {
                // 首先获取构造器所有的参数类型
                Class<?>[] parameterTypes = declaredConstructor.getParameterTypes();
                Object[]  arguments = new Object[parameterTypes.length];
                for (int i = 0; i < parameterTypes.length; i++) {
                    arguments[i] = getServiceInstanceByClass(parameterTypes[i]);
                }
                return declaredConstructor.newInstance(arguments);
            }
        }
        return clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
    }
}

  • 变量的解释

    java 复制代码 
    // 存储Config 类中的方法
private Map<Class<?>, Method> methods;
// Config类的实例化对象
private Object config;
// 
private Map<Class<?>,Object> services;

    Method 存储的方法本身，而不是方法执行后返回的实例，具体的实例将在使用时执行这些方法来获取，这种方法可以节约资源并提高性能

  • init() 函数，相当于Spring Boot 的run方法

    java 复制代码 
    // 相当于Spring Boot 的 run 方法
    public void init() throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
        // 初始化变量
        this.methods = new HashMap<>();
        this.services = new HashMap<>();
        // 利用反射获取Config类 的 Class对象
        Class<?> clazz = Class.forName("studydemo.reflection.autowired.Config");
        // 获取Config类中所有的方法，大家可以回去看一下Config类，Config的每个方法都是用来创建不同类的实例的
        Method[] declaredMethods = clazz.getDeclaredMethods();
        for (Method declaredMethod : declaredMethods) {
            // 加了Bean注解的方法才会被放到methods（Spring Boot 中为什么加了 @Bean注解的方法会被放到容器中呢，本质也是这个原理）
            if(ObjectUtils.isNotNull(declaredMethod.getAnnotation(Bean.class) != null)) {
                this.methods.put(declaredMethod.getReturnType(),declaredMethod);
            }
            System.out.println(declaredMethod.getName());
        }
        // 实例化Config类对象，并赋值给 成员变量 config
        this.config = clazz.getConstructor().newInstance();
    }

  • getServiceInstanceByClass()

    java 复制代码 
    // 通过类的Class 对象，获取相应的的服务实例
    // 执行该方法后，我们确实获取了该方法的对象，我们每次调用这个方法时，都会创造一个实例，这在性能上可能会有点问题，因为许多服务都是全局的，这里在一个容器中应该用单例模式
    public Object getServiceInstanceByClass(Class<?> clazz) throws InvocationTargetException, IllegalAccessException {
        // this.services 存储的是创建过的实例，如果已经创建过了，那就返回原来创建过的，否则再新创建
        if(this.services.containsKey(clazz)) {
            return this.services.get(clazz);
        }
        // this.methods 是一个Map , key为Class<?>
        if(this.methods.containsKey(clazz)) {
            // this.methods 中存储的都是 Config类的方法，执行的时候必须要传入一个实例化后的 Config对象，this.config 正好是 Config 的实例化对象
            Method method = this.methods.get(clazz);
            // 指向该方法，通过 类的 Class 对象，就能获取到这个类的对象
            Object obj = method.invoke(this.config);
            this.services.put(clazz,obj);
            return obj;
        }
        return null;
    }

  • createInstance（） --- 用于通过Class 对象创建普通实例，并且自动实现将所需的服务自动注入到对象里面

    java 复制代码 
    // 用于通过Class对象创建普通实例，并且实现将服务自动注入到对象里面
    public Object createInstance(Class<?> clazz) throws InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException, NoSuchMethodException {
        // 获取到Class对象所指代的类所有的构造方法
        Constructor<?>[] declaredConstructors = clazz.getDeclaredConstructors();
        // 遍历构造方法
        for (Constructor<?> declaredConstructor : declaredConstructors) {
            // 找到加了 @Autowried 注解的构造器
            if(ObjectUtils.isNotNull(declaredConstructor.getAnnotation(Autowired.class))) {
                // 首先获取构造器所有的参数类型，也就是需要注入什么(特别重要)
                Class<?>[] parameterTypes = declaredConstructor.getParameterTypes();
                Object[]  arguments = new Object[parameterTypes.length];
                for (int i = 0; i < parameterTypes.length; i++) {
                    // arguments[i] 就是实例化的类
                    arguments[i] = getServiceInstanceByClass(parameterTypes[i]);
                }
                // 返回注入了所需服务的实例化对象
                return declaredConstructor.newInstance(arguments);
            }
        }
        // 默认返回一个无参构造器所创建的对象
        return clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
    }

至此，我们调用 Container 的 createIntance() 函数，就能够按照我们的规则创建 已经注入了所需服务的对象。

那么你们能通过代码来看出要按照什么规则吗？

  1. 对象要有一个带有 @Autowired 注解的有参构造方法（参数就是这个类依赖的服务类），如果没有依赖其他服务，可以不写
  2. 需要注册服务的类，要在 Config类中加 @Bean 注解，这样才能被注册成为一个服务。
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