大白话说清楚Java反射:入门、使用、原理

沉默王二2021年10月22日
大约 8 分钟

“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");

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)。

@CallerSensitive
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);
}

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);
}

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。

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

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.htmlopen in new window

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.htmlopen in new window


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