java 反射

反射

前言

当我们使用框架带给我们的开发上的便利的时候,其内部的运行机制应该是什么样的呢?

例如:在ORM框架中,如何将 bean数据库表进行关联, 字段 进行关联?在Spring MVC 中如何将 URL请求参数与 对应的方法参数进行关联?

概念

主要是指程序可以访问,检测和修改它本身状态或行为的一种能力,并能根据自身行为的状态和结果,调整或修改应用所描述行为的状态和相关的语义。

反射是java中一种强大的工具,能够使我们很方便的创建灵活的代码,这些代码可以再运行时装配,无需在组件之间进行源代码链接。但是反射使用不当会成本很高!

基于类的反射

Class 对象为您提供接入类元数据的反射的所有基本hook。这类元数据包括关于类自身的信息,如包和类的父类,以及该类实施的接口。它还包括该类定义的构造函数、字段和方法的详细信息。

对于以下三类组件中的任何一类来说

  • 构造函数
  • 字段
  • 方法

java.lang.Class 提供四种独立的反射调用,以不同的方式来获得信息。调用都遵循一种标准格式。以下是用于查找构造函数的一组反射调用:

Constructor getConstructor(Class[] params) -- 获得使用特殊的参数类型的公共构造函数,
Constructor[] getConstructors() -- 获得类的所有公共构造函数
Constructor getDeclaredConstructor(Class[] params) -- 获得使用特定参数类型的构造函数(与接入级别无关)
Constructor[] getDeclaredConstructors() -- 获得类的所有构造函数(与接入级别无关)

每类这些调用都返回一个或多个 java.lang.reflect.Constructor 函数。这种 Constructor 类定义 newInstance 方法,它采用一组对象作为其唯一的参数,然后返回新创建的原始类实例。该组对象是用于构造函数调用的参数值。作为解释这一工作流程的实例,假设您有一个 TwoString 类和一个使用一对 String s的构造函数,如清单1所示: 清单1:从一对字符串创建的类&#160

public class TwoString {
    private String m_s1, m_s2;
    public TwoString(String s1, String s2) {
        m_s1 = s1;
        m_s2 = s2;
    }
}

清单2中的代码获得构造函数并使用它来创建使用 String s "a" 和 "b" 的 TwoString 类的一个实例: 清单2:构造函数的反射调用

Class[] types = new Class[] { String.class, String.class };
Constructor cons = TwoString.class.getConstructor(types);
Object[] args = new Object[] { "a", "b" };
TwoString ts = cons.newInstance(args);

清单2中的代码忽略了不同反射方法抛出的多种可能选中的例外类型。例外在 Javadoc API 描述中详细记录,因此为了简明起见,我将在所有程序实例中忽略它们。 尽管我在讨论构造函数主题,Java编程语言还定义了一种您可以用来使用 无参数(或缺省)构造函数创建类的一个实例的特殊快捷方式。这种快捷方式嵌入到 Class 定义中,如下: Object newInstance() -- 使用缺省函数创建新的实例 即使这种方法只允许您使用一种特殊的构造函数,如果这正是您需要的,那么它将提供一种非常方便的快捷方式。当与JavaBeans协作时这项技术尤其有用,JavaBeans需要定义公共、无参数构造函数。 通过反射增加字段 获得字段信息的 Class 反射调用不同于那些用于接入构造函数的调用,在参数类型数组中使用了字段名:

Field getField(String name) -- 获得命名的公共字段
Field[] getFields() -- 获得类的所有公共字段
Field getDeclaredField(String name) -- 获得类声明的命名的字段
Field[] getDeclaredFields() -- 获得类声明的所有字段

尽管与构造函数调用类似,在字段方面仍存在一个重要的区别:前两个变量返回可以通过类接入的公共字段的信息 -- 即使它们来自于祖先类。后两个变量返回类直接声明的字段的信息 -- 与字段的接入类型无关。 调用返回的 java.lang.reflect.Field 实例定义所有主类型的 getXXX 和 setXXX 方法,以及与对象引用协作的通用 get 和set 方法。您可以根据实际的字段类型自行选择一种适当的方法,而 getXXX 方法将自动处理扩展转换(如使用 getInt 方法来检索一个字节值)。 清单3显示使用字段反射方法的一个实例,以方法的格式根据名称增加对象的 int 字段 : 清单3:通过反射增加一个字段

public int incrementField(String name, Object obj) throws... {
    Field field = obj.getClass().getDeclaredField(name);
    int value = field.getInt(obj) + 1;
    field.setInt(obj, value);
    return value;
}

这种方法开始展示了反射带来的某些灵活性。与特定的类协作不同, incrementField 使用传 入的对象的 getClass 方法来查找类信息,然后直接在该类中查找命名的字段。 通过反射增加方法 获得方法信息的 Class 反射调用与用于构造函数和字段的调用非常类似:

Method getMethod(String name, Class[] params) -- 使用特定的参数类型,获得命名的公共方法
Method[] getMethods() -- 获得类的所有公共方法
Method getDeclaredMethod(String name, Class[] params) -- 使用特写的参数类型,获得类声明的命名的方法
Method[] getDeclaredMethods() -- 获得类声明的所有方法

与字段调用一样,前两个变量返回可以通过类接入的公共方法的信息 -- 即使它们来自于祖先类。后两个变量返回类声明的方法的信息,与方法的接入类型无关。 调用返回的 java.lang.reflect.Method 实例定义一种 invoke 方法,您可以用来在正在定义的类的一个实例上调用方法。这种 invoke 方法使用两个参数,为调用提供类实例和参数值数组。 清单4进一步阐述字段实例,显示反射正在运行的方法的一个实例。这种方法增加一个定义有 get 和 set 方法的 int JavaBean属性。例如,如果对象为一个整数 count 值定义了 getCount 和 setCount 方法,您可以在一次调用中向该方法传递“count”作为 name 参数,以增加该值。 清单4:通过反射增加一个JavaBean 属性

public int incrementProperty(String name, Object obj) {
    String prop = Character.toUpperCase(name.charAt(0)) +
        name.substring(1);
    String mname = "get" + prop;
    Class[] types = new Class[] {};
    Method method = obj.getClass().getMethod(mname, types);
    Object result = method.invoke(obj, new Object[0]);
    int value = ((Integer)result).intValue() + 1;
    mname = "set" + prop;
    types = new Class[] { int.class };
    method = obj.getClass().getMethod(mname, types);
    method.invoke(obj, new Object[] { new Integer(value) });
    return value;
}

为了遵循JavaBeans惯例,我把属性名的首字母改为大写,然后预先考虑 get 来创建读方法名, set 来创建写方法名。JavaBeans读方法仅返回值,而写方法使用值作为唯一的参数,因此我规定方法的参数类型以进行匹配。最后,该惯例要求方法为公共,因此我使用查找格式,查找类上可调用的公共方法。 这一实例是第一个我使用反射传递主值的实例,因此现在我们来看看它是如何工作的。基本原理很简单:无论什么时候您需要传递主值,只需用相应封装类的一个实例(在 java.lang 包中定义)来替换该类主值。这可以应用于调用和返回。因此,当我在实例中调用 get 方法时,我预计结果为实际 int 属性值的 java.lang.Integer 封装。 反射数组 数组是Java编程语言中的对象。与所有对象一样,它们都有类。如果您有一个数组,使用标准 getClass 方法,您可以获得该数组的类,就象任何其它对象一样。但是, 不通过现有的实例来获得类不同于其它类型的对象。即使您有一个数组类,您也不能直接对它进行太多的操作 -- 反射为标准类提供的构造函数接入不能用于数组,而且数组没有任何可接入的字段,只有基本的java.lang.Object 方法定义用于数组对象。 数组的特殊处理使用 java.lang.reflect.Array 类提供的静态方法的集合。该类中的方法使您能够创建新数组,获得数组对象的长度,读和写数组对象的索引值。 清单5显示了一种重新调整现有数组大小的有效方法。它使用反射来创建相同类型的新数组,然后在返回新数组之前,在老数组中复制所有数据。 清单 5:通过反射来扩展一个数组

public Object growArray(Object array, int size) {
    Class type = array.getClass().getComponentType();
    Object grown = Array.newInstance(type, size);
    System.arraycopy(array, 0, grown, 0,
        Math.min(Array.getLength(array), size));
    return grown;
}

安全性和反射 在处理反射时安全性是一个较复杂的问题。反射经常由框架型代码使用,由于这一点,您可能希望框架能够全面接入您的代码,无需考虑常规的接入限制。但是,在其它情况下,不受控制的接入会带来严重的安全性风险,如当代码在不值得信任的代码共享的环境中运行时。 由于这些互相矛盾的需求,Java编程语言定义一种多级别方法来处理反射的安全性。基本模式是对反射实施与应用于源代码接入相同的的限制: 从任意位置到类公共组件的接入 类自身外部无任何到私有组件的接入 受保护和打包(缺省接入)组件的有限接入 不过-至少某些时候,围绕这些限制有一种简单的方法。我在前面实例中使用的 Constructor 、 Field 和 Method 类都扩展了一个普通的基本类--&#160 java.lang.reflect.AccessibleObject 类。该类定义一种 setAccessible 方法,使您能够启动或关闭对这些类中其中一个类的实例的接入检测。唯一的问题在于如果使用了安全性管理器,它将检测正在关闭接入检测的代码是否许可了这样做。如果未许可,安全性管理器抛出一个例外。 清单6展示了一个程序,在 清单 1TwoString 类的一个实例上使用反射来显示安全性正在运行: 清单 6:反射安全性正在运行

public class ReflectSecurity {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            TwoString ts = new TwoString("a", "b");
            Field field = clas.getDeclaredField("m_s1");
            field.setAccessible(true);
            System.out.println("Retrieved value is " +
                field.get(inst));
        } catch (Exception ex) {
            ex.printStackTrace(System.out);
        }
    }
}

如果您编译了这一程序,不使用任何特定参数直接从命令行运行,它将在 field.get(inst) 调用中抛出一个IllegalAccessException 。如果您未注释 field.setAccessible(true) 代码行,那么重新编译并重新运行该代码,它将取得成功。最后,如果您在命令行添加了JVM参数 -Djava.security.manager 以实现安全性管理器,它将再次失败,除非您定义了 ReflectSecurity 类的许可权限。 反射性能 反射是一种强大的工具,但也存在一些不足。一个主要的缺点是对性能有影响。使用反射基本上是一种解释操作,您可以告诉JVM您希望做什么并且它满足您的要求。这类操作总是慢于只直接执行相同的操作。为了阐述使用反射的性能成本,我为本文准备了一组基准程序(见 参考资料,完整代码链接)。

结束语

Java语言反射提供一种动态链接程序组件的多功能方法。它允许程序创建和控制任何类的对象(根据安全性限制),无需提前硬编码目标类。这些特性使得反射特别适用于创建以非常普通的方式与对象协作的库。例如,反射经常在持续存储对象为数据库、XML或其它外部格式的框架中使用。 反射有两个缺点。第一个是性能问题。当用于字段和方法接入时反射要远慢于直接代码。性能问题的程度取决于程序中是如何使用反射的。如果它作为程序运行中相对很少涉及的部分,缓慢的性能将不会是一个问题。即使测试中最坏情况下的计时图显示的反射操作只耗用几微秒。仅反射在性能关键的应用的核心逻辑中使用时性能问题才变得至关重要。 许多应用更严重的一个缺点是使用反射会模糊程序内部实际要发生的事情。程序人员希望在源代码中看到程序的逻辑,反射等绕过了源代码的技术会带来维护问题。

原文发布于微信公众号 - 全栈布道士(gh_773193545262)

原文发表时间:2018-01-21

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