12.8 掌握 Java 反射

“二哥，什么是反射呀？”三妹开门见山地问。

“要想知道什么是反射，就需要先来了解什么是‘正射’。”我笑着对三妹说，“一般情况下，我们在使用某个类之前已经确定它到底是个什么类了，拿到手就直接可以使用 new 关键字来调用构造方法进行初始化，之后使用这个类的对象来进行操作。”

Writer writer = new Writer();
writer.setName("沉默王二");

像上面这个例子，就可以理解为“正射”。而反射就意味着一开始我们不知道要初始化的类到底是什么，也就没法直接使用 new 关键字创建对象了。

我们只知道这个类的一些基本信息，就好像我们看电影的时候，为了抓住一个犯罪嫌疑人，警察就会问一些目击证人，根据这些证人提供的信息，找专家把犯罪嫌疑人的样貌给画出来——这个过程，就可以称之为反射。

Class clazz = Class.forName("com.itwanger.s39.Writer");
Method method = clazz.getMethod("setName", String.class);
Constructor constructor = clazz.getConstructor();
Object object = constructor.newInstance();
method.invoke(object,"沉默王二");

像上面这个例子，就可以理解为“反射”。

“反射的写法比正射复杂得多啊！”三妹感慨地说。

“是的，反射的成本是要比正射的高得多。”我说，“反射的缺点主要有两个。”

• 破坏封装：由于反射允许访问私有字段和私有方法，所以可能会破坏封装而导致安全问题。
• 性能开销：由于反射涉及到动态解析，因此无法执行 Java 虚拟机优化，再加上反射的写法的确要复杂得多，所以性能要比“正射”差很多，在一些性能敏感的程序中应该避免使用反射。

“那反射有哪些好处呢？”三妹问。

反射的主要应用场景有：

• 开发通用框架：像 Spring，为了保持通用性，通过配置文件来加载不同的对象，调用不同的方法。
• 动态代理：在面向切面编程中，需要拦截特定的方法，就会选择动态代理的方式，而动态代理的底层技术就是反射。
• 注解：注解本身只是起到一个标记符的作用，它需要利用发射机制，根据标记符去执行特定的行为。

“好了，来看一下完整的例子吧。”我对三妹说。

Writer 类，有两个字段，然后还有对应的 getter/setter。

public class Writer {
    private int age;
    private String name;

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

测试类：

public class ReflectionDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
        Writer writer = new Writer();
        writer.setName("沉默王二");
        System.out.println(writer.getName());

        Class clazz = Class.forName("com.itwanger.s39.Writer");
        Constructor constructor = clazz.getConstructor();
        Object object = constructor.newInstance();

        Method setNameMethod = clazz.getMethod("setName", String.class);
        setNameMethod.invoke(object, "沉默王二");
        Method getNameMethod = clazz.getMethod("getName");
        System.out.println(getNameMethod.invoke(object));
    }
}

来看一下输出结果：

沉默王二
沉默王二

只不过，反射的过程略显曲折了一些。

第一步，获取反射类的 Class 对象：

Class clazz = Class.forName("com.itwanger.s39.Writer");

在 Java 中，Class 对象是一种特殊的对象，它代表了程序中的类和接口。

Java 中的每个类型（包括类、接口、数组以及基础类型）在 JVM 中都有一个唯一的 Class 对象与之对应。这个 Class 对象被创建的时机是在 JVM 加载类时，由 JVM 自动完成。

Class 对象中包含了与类相关的很多信息，如类的名称、类的父类、类实现的接口、类的构造方法、类的方法、类的字段等等。这些信息通常被称为元数据（metadata）。

除了前面提到的，通过类的全名获取 Class 对象，还有以下两种方式：

• 如果你有一个类的实例，你可以通过调用该实例的getClass()方法获取 Class 对象。例如：String str = "Hello World"; Class cls = str.getClass();
• 如果你有一个类的字面量（即类本身），你可以直接获取 Class 对象。例如：Class cls = String.class;

第二步，通过 Class 对象获取构造方法 Constructor 对象：

Constructor constructor = clazz.getConstructor();

第三步，通过 Constructor 对象初始化反射类对象：

Object object = constructor.newInstance();

第四步，获取要调用的方法的 Method 对象：

Method setNameMethod = clazz.getMethod("setName", String.class);
Method getNameMethod = clazz.getMethod("getName");

第五步，通过 invoke() 方法执行：

setNameMethod.invoke(object, "沉默王二");
getNameMethod.invoke(object)

“三妹，你看，经过这五个步骤，基本上就掌握了反射的使用方法。”我说。

“好像反射也没什么复杂的啊！”三妹说。

我先对三妹点点头，然后说：“是的，掌握反射的基本使用方法确实不难，但要理解整个反射机制还是需要花一点时间去了解一下 Java 虚拟机的类加载机制的。”

要想使用反射，首先需要获得反射类的 Class 对象，每一个类，不管它最终生成了多少个对象，这些对象只会对应一个 Class 对象，这个 Class 对象是由 Java 虚拟机生成的，由它来获悉整个类的结构信息。

也就是说，java.lang.Class 是所有反射 API 的入口。

而方法的反射调用，最终是由 Method 对象的 invoke() 方法完成的，来看一下源码（JDK 8 环境下）。

public Object invoke(Object obj, Object... args)
        throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
        InvocationTargetException {
    // 如果方法不允许被覆盖，进行权限检查
    if (!override) {
        if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
            Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
            // 检查调用者是否具有访问权限
            checkAccess(caller, clazz, obj, modifiers);
        }
    }
    // 获取方法访问器（从 volatile 变量中读取）
    MethodAccessor ma = methodAccessor;
    if (ma == null) {
        // 如果访问器为空，尝试获取方法访问器
        ma = acquireMethodAccessor();
    }
    // 使用方法访问器调用方法，并返回结果
    return ma.invoke(obj, args);
}

两个嵌套的 if 语句是用来进行权限检查的。

invoke() 方法实际上是委派给 MethodAccessor 接口来完成的。

MethodAccessor 接口有三个实现类，其中的 MethodAccessorImpl 是一个抽象类，另外两个具体的实现类继承了这个抽象类。

• NativeMethodAccessorImpl：通过本地方法来实现反射调用；
• DelegatingMethodAccessorImpl：通过委派模式来实现反射调用；

通过 debug 的方式进入 invoke() 方法后，可以看到第一次反射调用会生成一个委派实现 DelegatingMethodAccessorImpl，它在生成的时候会传递一个本地实现 NativeMethodAccessorImpl。

也就是说，invoke() 方法在执行的时候，会先调用 DelegatingMethodAccessorImpl，然后调用 NativeMethodAccessorImpl，最后再调用实际的方法。

“为什么不直接调用本地实现呢？”三妹问。

“之所以采用委派实现，是为了能够在本地实现和动态实现之间切换。动态实现是另外一种反射调用机制，它是通过生成字节码的形式来实现的。如果反射调用的次数比较多，动态实现的效率就会更高，因为本地实现需要经过 Java 到 C/C++ 再到 Java 之间的切换过程，而动态实现不需要；但如果反射调用的次数比较少，反而本地实现更快一些。”我说。

“那临界点是多少呢？”三妹问。

“默认是 15 次。”我说，“可以通过 -Dsun.reflect.inflationThreshold 参数类调整。”

来看下面这个例子。

Method setAgeMethod = clazz.getMethod("setAge", int.class);
for (int i = 0;i < 20; i++) {
    setAgeMethod.invoke(object, 18);
}

在 invoke() 方法处加断点进入 debug 模式，当 i = 15 的时候，也就是第 16 次执行的时候，会进入到 if 条件分支中，改变 DelegatingMethodAccessorImpl 的委派模式 delegate 为 (MethodAccessorImpl)(new MethodAccessorGenerator()).generateMethod()，而之前的委派模式 delegate 为 NativeMethodAccessorImpl。

“这下明白了吧？三妹。”我说，“接下来，我们再来熟悉一下反射当中常用的 API。”

1）获取反射类的 Class 对象

Class.forName()，参数为反射类的完全限定名。

Class c1 = Class.forName("com.itwanger.s39.ReflectionDemo3");
System.out.println(c1.getCanonicalName());

Class c2 = Class.forName("[D");
System.out.println(c2.getCanonicalName());

Class c3 = Class.forName("[[Ljava.lang.String;");
System.out.println(c3.getCanonicalName());

来看一下输出结果：

com.itwanger.s39.ReflectionDemo3
double[]
java.lang.String[][]

类名 + .class，只适合在编译前就知道操作的 Class。。

Class c1 = ReflectionDemo3.class;
System.out.println(c1.getCanonicalName());

Class c2 = String.class;
System.out.println(c2.getCanonicalName());

Class c3 = int[][][].class;
System.out.println(c3.getCanonicalName());

来看一下输出结果：

com.itwanger.s39.ReflectionDemo3
java.lang.String
int[][][]

2）创建反射类的对象

通过反射来创建对象的方式有两种：

• 用 Class 对象的 newInstance() 方法。
• 用 Constructor 对象的 newInstance() 方法。

Class c1 = Writer.class;
Writer writer = (Writer) c1.newInstance();

Class c2 = Class.forName("com.itwanger.s39.Writer");
Constructor constructor = c2.getConstructor();
Object object = constructor.newInstance();

3）获取构造方法

Class 对象提供了以下方法来获取构造方法 Constructor 对象：

• getConstructor()：返回反射类的特定 public 构造方法，可以传递参数，参数为构造方法参数对应 Class 对象；缺省的时候返回默认构造方法。
• getDeclaredConstructor()：返回反射类的特定构造方法，不限定于 public 的。
• getConstructors()：返回类的所有 public 构造方法。
• getDeclaredConstructors()：返回类的所有构造方法，不限定于 public 的。

Class c2 = Class.forName("com.itwanger.s39.Writer");
Constructor constructor = c2.getConstructor();

Constructor[] constructors1 = String.class.getDeclaredConstructors();
for (Constructor c : constructors1) {
    System.out.println(c);
}

4）获取字段

大体上和获取构造方法类似，把关键字 Constructor 换成 Field 即可。

Field[] fields1 = System.class.getFields();
Field fields2 = System.class.getField("out");

5）获取方法

大体上和获取构造方法类似，把关键字 Constructor 换成 Method 即可。

Method[] methods1 = System.class.getDeclaredMethods();
Method[] methods2 = System.class.getMethods();

“注意，三妹，如果你想反射访问私有字段和（构造）方法的话，需要使用 Constructor/Field/Method.setAccessible(true) 来绕开 Java 语言的访问限制。”我说。

“好的，二哥。还有资料可以参考吗？”三妹问。

“有的，有两篇文章写得非常不错，你在学习反射的时候可以作为参考。”我说。

第一篇：深入理解 Java 反射和动态代理

链接：https://dunwu.github.io/javacore/basics/java-reflection.html

第二篇：大白话说 Java 反射：入门、使用、原理：

链接：https://www.cnblogs.com/chanshuyi/p/head_first_of_reflection.html

这里简单总结下。

反射是 Java 中的一个强大特性，它允许在运行时检查和操作类、接口、字段和方法。反射是 Java 的核心组件，支持各种框架和库的实现，如 Spring、Hibernate 等。使用反射，可以在运行时动态地创建对象、调用方法和访问字段，而无需在编译时了解这些对象的具体实现。

反射的主要类位于 java.lang.reflect 包中，主要包括以下几个关键类：

• Class：代表一个类或接口，包含了类的结构信息（如名称、构造函数、方法、字段等）。通过 Class 对象，可以获取类的元数据并操作类的实例。
• Constructor：代表类的构造方法，用于创建类的实例。
• Method：代表类的方法，可以通过它调用类的实例方法。
• Field：代表类的字段，可以获取或修改字段的值。
• Modifier：包含方法、字段和类的访问修饰符（如 public、private 等）。

使用反射时，需要注意以下几点：

• 性能：反射操作通常比直接操作对象的方法和字段慢，因为涉及到额外的间接调用和动态解析。因此，在关注性能的场景中，慎用反射。
• 安全性：通过反射，可以访问和操作类的私有字段和方法，这可能导致安全问题。因此，使用反射时要确保代码的安全性。
• 维护性：反射使代码变得更加复杂，可能导致难以维护。在使用反射时要确保代码的可读性和可维护性。

尽管反射存在上述问题，但在某些场景下（如框架开发、动态代理等），它仍然是非常有用的工具。

来一个完整的 demo 示例吧。

class Person {
    private String name;
    private int age;

    public Person() {
    }

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    private void privateMethod() {
        System.out.println("私有方法");
    }
}

public class ReflectionDemo {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException,
            IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException, NoSuchFieldException {
        // 获取 Person 类的 Class 对象
        Class<?> personClass = Class.forName("com.github.paicoding.forum.test.javabetter.importance.Person");

        // 获取并打印类名
        System.out.println("类名: " + personClass.getName());

        // 获取构造函数
        Constructor<?> constructor = personClass.getConstructor(String.class, int.class);

        // 使用构造函数创建 Person 对象实例
        Object personInstance = constructor.newInstance("沉默王二", 30);

        // 获取并调用 getName 方法
        Method getNameMethod = personClass.getMethod("getName");
        String name = (String) getNameMethod.invoke(personInstance);
        System.out.println("名字: " + name);

        // 获取并调用 setAge 方法
        Method setAgeMethod = personClass.getMethod("setAge", int.class);
        setAgeMethod.invoke(personInstance, 35);

        // 获取并访问 age 字段
        Field ageField = personClass.getDeclaredField("age");
        ageField.setAccessible(true);
        int age = ageField.getInt(personInstance);
        System.out.println("年纪: " + age);

        // 获取并调用私有方法
        Method privateMethod = personClass.getDeclaredMethod("privateMethod");
        privateMethod.setAccessible(true);
        privateMethod.invoke(personInstance);
    }
}

在这个示例中，我们首先通过 Class.forName() 方法获取 Person 类的 Class 对象。接着，我们获取了 Person 类的构造方法、方法和字段，并使用这些反射对象来创建实例、调用方法和访问字段。注意，在访问私有方法和字段时，我们需要调用 setAccessible(true) 方法来允许访问。

“好了，三妹，关于反射，就先讲到这里吧。”

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