细说反射,Java 和 Android 开发者必须跨越的坎【面试+工作】

反射是什么?

官方文档上有这么一段介绍:

Reflection is commonly used by programs which require the ability to examine or modify the runtime behavior of applications running in the Java virtual machine. This is a relatively advanced feature and should be used only by developers who have a strong grasp of the fundamentals of the language. With that caveat in mind, reflection is a powerful technique and can enable applications to perform operations which would otherwise be impossible.

我来翻译一下:反射技术通常被用来检测和改变应用程序在 Java 虚拟机中的行为表现。它是一个相对而言比较高级的技术,通常它应用的前提是开发者本身对于 Java 语言特性有很强的理解的基础上。值得说明的是,反射是一种强有力的技术特性,因此可以使得应用程序突破一些藩篱,执行一些常规手段无法企及的目的。

我再通俗概括一下:反射是个很牛逼的功能,能够在程序运行时修改程序的行为。但反射是非常规手段,反射有风险,应用需谨慎。

相信,大部分同学会有稍微清晰一点的概念了。但这还不是我的目的所在。

我的目的是想,我如何向一个刚有一点点 Java 基础的初学者,或者是说毫无 Java 基础的门外汉解释清楚反射这样一种东西?

直接翻译官方文档,显然是不太行。因为那仍然是抽象的,所以,最好的方法仍然是通过类比或者是拟人,用生活场景中具体的事物与抽象的概念建立相关性。

把程序代码比作一辆车,因为 Java 是面向对象的语言,所以这样很容易理解,正常流程中,车子有自己的颜色、车型号、品牌这些属性,也有正常行驶、倒车、停泊这些功能操作。

正常情况下,我们需要为车子配备一个司机,然后按照行为准则规范行驶。

那么反射是什么呢?反射是非常规手段,正常行驶的时候,车子需要司机的驾驶,但是,反射却不需要,因为它就是车子的——自动驾驶。

因为,反射牛逼,又因为反射非常规,所以,它风险未知,需要开发者极强的把控力。而汽车中的自动驾驶技术现在是热门,但是特斯拉都出过故障,所以同样在汽车领域,自动驾驶技术也需要车厂家有极牛逼的风险把控能力,这个基础就是要遵从汽车本身的结构与交通规则,不能因为运用了自动驾驶技术的汽车就不叫做汽车了,应用了反射技术的代码就不叫做代码了。

自动驾驶需要遵守基础规则,同样反射也需要,下面的文章就是介绍反射技术应该遵守的规格与限制。

反射入口

我们试想一下,如果自动驾驶要运用到一辆汽车之上,研发人员首先要拿到的是什么?

肯定是汽车的规格说明书。同样,反射如果要作用于一段 Java 代码上,那么它也需要拿到一本规格说明书,那么对于反射而言,这本规格说明书是什么呢?

Class

因为 Java 是面向对象的语言,基本上是以类为基础构造了整个程序系统,反射中要求提供的规格说明书其实就是一个类的规格说明书,它就是 Class。

注意的是 Class 是首字母大写,不同于 class 小写,class 是定义类的关键字,而 Class 的本质也是一个类,因为在 Java 中一切都是对象。

Class 就是一个对象,它用来代表运行在 Java 虚拟机中的类和接口。

把 Java 虚拟机类似于高速公路,那么 Class 就是用来描述公路上飞驰的汽车,也就是我前面提到的规格说明书。

Class 的获取

反射的入口是 Class,但是反射中 Class 是没有公开的构造方法的,所以就没有办法像创建一个类一样通过 new 关键字来获取一个 Class 对象。

不过,不用担心,Java 反射中 Class 的获取可以通过下面 3 种方式。

1. 通过 Object.getClass()

对于一个对象而言,如果这个对象可以访问,那么调用 getClass() 方法就可以获取到了它的相应的 Class 对象。

值得注意的是,这种方法不适合基本类型如 int、float 等等。

2. 通过 .class 标识

上面的例子中,Car 是一个类,car 是它的对象,通过 car.getClass() 就获取到了 Car 这个类的 Class 对象,也就是说通过一个类的实例的 getClass() 方法就能获取到它的 Class。如果不想创建这个类的实例的话,就需要通过 `.class 这个标识。

3. 通过 Class.forName() 方法

有时候,我们没有办法创建一个类的实例,甚至没有办法用 Car.class 这样的方式去获取一个类的 Class 对象。

这在 Android 开发领域很常见,因为某种目的,Android 工程师把一些类加上了 @hide 注解,所示这些类就没有出现在 SDK 当中,那么,我们要获取这个并不存在于当前开发环境中的类的 Class 对象时就没有辙了吗?答案是否定的,Java 给我们提供了 Class.forName() 这个方法。

只要给这个方法中传入一个类的全限定名称就好了,那么它就会到 Java 虚拟机中去寻找这个类有没有被加载。

“com.frank.test.Car” 就是 Car 这个类的全限定名称,它包括包名+类名。

如果找不到时,它会抛出 ClassNotFoundException 这个异常,这个很好理解,因为如果查找的类没有在 JVM 中加载的话,自然要告诉开发者。

所以,上面 3 节讲述了如何拿到一个类的 Class 对象。

Class 内容清单

仅仅拿到 Class 对象还不够,我们感兴趣的是它的内容。

在正常的代码编写中,我们如果要编写一个类,一般会定义它的属性和方法,如:

现在我们来一一分解它。

Class 的名字

Class 对象也有名字,涉及到的 API 有:

现在,说说它们的区别。

因为 Class 是一个入口,它代表引用、基本数据类型甚至是数组对象,所以获取它们的方式又有一点不同。

先从 getName() 说起。

当 Class 代表一个引用时

getName() 方法返回的是一个二进制形式的字符串,比如“com.frank.test.Car”。

当 Class 代表一个基本数据类型,比如 int.class 的时候

getName() 方法返回的是它们的关键字,比如 int.class 的名字是 int。

当 Class 代表的是基础数据类型的数组时 比如 int[][][] 这样的 3 维数组时

getName() 返回 [[[I 这样的字符串。

为什么会这样呢?这是因为,Java 本身对于这一块制定了相应规则,在元素的类型前面添加相应数量的 [ 符号,用 [ 的个数来提示数组的维度,并且值得注意的是,对于基本类型或者是类,都有相应的编码,所谓的编码大多数是用一个大写字母来指示某种类型,规则如下:

需要注意的是类或者是接口的类型编码是 L类名; 的形式,后面有一个分号。

比如 String[].getClass().getName() 结果是 [Ljava.lang.String;。

我们来测试一下代码:

上面代码的打印结果如下:

刚刚介绍的都是 getName() 的情况,那么 getSimpleName() 和 getCaninolName() 呢?

getSimpleName() 自然是要去获取 simplename 的,那么对于一个 Class 而言什么是 SimpleName 呢?我们先要从嵌套类说起

Outter 这个类中有一个静态的内部类。

我们分别打印 Inner 这个类的 Class 对象的 name 和 simplename。

可以看到,因为是内部类,所以通过 getName() 方法获取到的是二进制形式的全限定类名,并且类名前面还有个 $ 符号。 getSimpleName() 则直接返回了 Inner,去掉了包名限定。

打个比方,我的全名叫做 Frank Zhao,而我的 simplename 就叫做 frank,simplename 之于 name 也是如此。

simplename 的不同

需要注意的是,当获取一个数组的 Class 中的 simplename 时,不同于 getName() 方法,simplename 不是在前面加 [,而是在后面添加对应数量的 []

上面代码打印结果是:

还需要注意的是,对于匿名内部类,getSimpleName() 返回的是一个空的字符串。

打印结果是:

最后再来看 getCanonicalName()。

Canonical 是官方、标准的意思,那么 getCanonicalName() 自然就是返回一个 Class 对象的官方名字,这个官方名字 canonicalName 是 Java 语言规范制定的,如果 Class 对象没有 canonicalName 的话就返回 null。

getCanonicalName() 是 getName() 和 getSimpleName() 的结合。

  • getCanonicalName() 返回的也是全限定类名,但是对于内部类,不用 $ 开头,而用 .。
  • getCanonicalName() 对于数组类型的 Class,同 simplename 一样直接在后面添加 [] 。
  • getCanonicalName() 不同于 simplename 的地方是,不存在 canonicalName 的时候返回 null 而不是空字符串。
  • 局部类和匿名内部类不存在 canonicalName。

打印结果如下:

Class 去获取相应名字的知识内容就讲完了,仔细想一下,小小的一个细节,其实蛮有学问的。

好了,我们继续往下。

Class 获取修饰符

通常,Java 开发中定义一个类,往往是要通过许多修饰符来配合使用的。它们大致分为 4 类。

  • 用来限制作用域,如 public、protected、priviate。
  • 用来提示子类复写,abstract。
  • 用来标记为静态类 static。
  • 注解。

Java 反射提供了 API 去获取这些修饰符。

我们定义了一个类,名字为 TestModifier,被 public 和 abstract 修饰,现在我们要提取这些修饰符。我们只需要调用 Class.getModifiers() 方法就是了,它返回的是一个 int 数值。

打印结果是:

大家肯定会有疑问,为什么会返回一个整型数值呢?

这是因为一个类定义的时候可能会被多个修饰符修饰,为了一并获取,所以 Java 工程师考虑到了位运算,用一个 int 数值来记录所有的修饰符,然后不同的位对应不同的修饰符,这些修饰符对应的位都定义在 Modifier 这个类当中。

调用 Modifier.toString() 方法就可以打印出一个类的所有修饰符。

当然,Modifier 还提供了一系列的静态工具方法用来对修饰符进行操作。

这些代码的作用,一看就懂,所以不再多说。

获取 Class 的成员

一个类的成员包括属性(有人翻译为字段或者域)、方法。对应到 Class 中就是 Field、Method、Constructor。

获取 Filed

获取指定名字的属性有 2 个 API

两者的区别就是 getDeclaredField() 获取的是 Class 中被 private 修饰的属性。 getField() 方法获取的是非私有属性,并且 getField() 在当前 Class 获取不到时会向祖先类获取。

获取所有的属性。

可以用一个例子,给大家加深一下理解。

代码打印结果:

大家细细体会一下,不过需要注意的是 getDeclaredFileds() 方法可以获取 private、protected、public 和 default 属性,但是它获取不到从父类继承下来的属性。

获取 Method

类或者接口中的方法对应到 Class 就是 Method。 相应的 API 如下:

因为跟 Field 类似,所以不做过多的讲解。parameterTypes 是方法对应的参数。

获取 Constructor

Java 反射把构造器从方法中单独拎出来了,用 Constructor 表示。

仍然以前面的 Father 和 Son 两个类为例。

测试程序代码的打印结果如下:

因为,Constructor 不能从父类继承,所以就没有办法通过 getConstructor() 获取到父类的 Constructor。

我们获取到了 Field、Method、Constructor,但这一是终点,相反,这正是反射机制中开始的地方,我们运用反射的目的就是为了获取和操控 Class 对象中的这些成员。

Field 的操控

我们在一个类中定义字段时,通常是这样。

像 c、d、e、car 这些变量都是属性,在反射机制中映射到 Class 对象中都是 Field,很显然,它们也有对应的类别。

它们要么是 8 种基础类型 int、long、float、double、boolean、char、byte 和 short。或者是引用,所有的引用都是 Object 的后代。

Field 类型的获取

获取 Field 的类型,通过 2 个方法:

注意,两者返回的类型不一样,getGenericType() 方法能够获取到泛型类型。大家可以看下面的代码进行理解:

打印结果:

可以看到 getGenericType() 确实把泛型都打印出来了,它比 getType() 返回的内容更详细。

Field 修饰符的获取

同 Class 一样,Field 也有很多修饰符。通过 getModifiers() 方法就可以轻松获取。

这个与前面 Class 获取修饰符一致,所以不需要再讲,不清楚的同学翻看前面的内容就好了。

Field 内容的读取与赋值

这个应该是反射机制中对于 Field 最主要的目的了。

Field 这个类定义了一系列的 get 方法来获取不同类型的值。

Field 又定义了一系列的 set 方法用来对其自身进行赋值。

可能有同学会对方法中出现的 Object 参数有疑问,它其实是类的实例引用,这里涉及一个细节。

Class 本身不对成员进行储存,它只提供检索,所以需要用 Field、Method、Constructor 对象来承载这些成员,所以,针对成员的操作时,一般需要为成员指定类的实例引用。如果难于理解的话,可以这样理解,班级这个概念是一个类,一个班级有几十名学生,现在有A、B、C 3 个班级,将所有班级的学生抽出来集合到一个场地来考试,但是学生在试卷上写上自己名字的时候,还要指定自己的班级,这里涉及到的 Object 其实就是类似的作用,表示这个成员是具体属于哪个 Object。这个是为了精确定位。

下面用代码来说明:

打印结果如下:

我们再来看看 Field 被 private 修饰的情况

再编写测试代码

打印的结果如下:

抛异常了。这是因为在反射中访问了 private 修饰的成员,如果要消除异常的话,需要添加一句代码。

再看打印结果

Method 的操控

Method 对应普通类的方法。 我们看看一般普通类的方法的构成。

方法由下面几个要素构成: - 方法名 - 方法参数 - 方法返回值 - 方法的修饰符 - 方法可能会抛出的异常

很显然,反射中 Method 提供了相应的 API 来提取这些元素。

Method 获取方法名

通过 getName() 这个方法就好了。

以前面的 Car 类作为测试对象。

打印结果如下:

Method 获取方法参数

涉及到的 API 如下:

返回的是一个 Parameter 数组,在反射中 Parameter 对象就是用来映射方法中的参数。经常使用的方法有:

Parameter.java

当然,有时候我们不需要参数的名字,只要参数的类型就好了,通过 Method 中下面的方法获取。 Method.java

下面,同样进行测试。

打印结果如下:

Method 获取返回值类型

Method 获取修饰符

这部分内容前面已经讲过。

Method 获取异常类型

Method 方法的执行

这个应该是整个反射机制的核心内容了,很多时候运用反射目的其实就是为了以常规手段执行 Method。

Method 调用 invoke() 的时候,存在许多细节:

  • invoke() 方法中第一个参数 Object 实质上是 Method 所依附的 Class 对应的类的实例,如果这个方法是一个静态方法,那么 ojb 为 null,后面的可变参数 Object 对应的自然就是参数。
  • invoke() 返回的对象是 Object,所以实际上执行的时候要进行强制转换。
  • 在对 Method 调用 invoke() 的时候,如果方法本身会抛出异常,那么这个异常就会经过包装,由 Method 统一抛出 InvocationTargetException。而通过 InvocationTargetException.getCause() 可以获取真正的异常。

下面同样通过例子来说明,我们新建立一个类,要添加一个 static 修饰的静态方法,一个普通的方法和一个会抛出异常的方法。

我们编写测试代码:

打印结果如下:

Constructor 的操控

在平常开发的时候,构造器也称构造方法,但是在反射机制中却把它与 Method 分离开来,单独用 Constructor 这个类表示。

Constructor 同 Method 差不多,但是它特别的地方在于,它能够创建一个对象。

在 Java 反射机制中有两种方法可以用来创建类的对象实例:Class.newInstance() 和 Constructor.newInstance()。官方文档建议开发者使用后面这种方法,下面是原因。

  • Class.newInstance() 只能调用无参的构造方法,而 Constructor.newInstance() 则可以调用任意的构造方法。
  • Class.newInstance() 通过构造方法直接抛出异常,而 Constructor.newInstance() 会把抛出来的异常包装到 InvocationTargetException 里面去,这个和 Method 行为一致。
  • Class.newInstance() 要求构造方法能够被访问,而 Constructor.newInstance() 却能够访问 private 修饰的构造器。

还是通过代码来验证。

上面的类中有 2 个构造方法,一个无参,一个有参数。编写测试代码:

分别用 Class.newInstance() 和 Constructor.newInstance() 方法来创建类的实例,打印结果如下:

可以看到通过 Class.newInstance() 方法调用的构造方法确实是无参的那个。

现在,我们学习了 Class 对象的获取,也能够获取它内部成员 Filed、Method 和 Constructor 并且能够操作它们。在这个基础上,我们已经能够应付普通的反射开发了。

但是,Java 反射机制还另外细分了两个概念:数组和枚举。

反射中的数组

数组本质上是一个 Class,而在 Class 中存在一个方法用来识别它是否为一个数组。 Class.java

为了便于测试,我们创建一个新的类

其中有一个 int 型的数组属性,它的名字叫做 array。还有一个 cars 数组,它的类型是 Car,是之前定义好的类。 当然,array 和 cars 是 Shuzu 这个类的 Field,对于 Field 的角度来说,它是数组类型,我们可以这样理解数组可以同 int、char 这些基本类型一样成为一个 Field 的类别。

我们可能通过一系列的 API 来获取它的具体信息,刚刚有提到它本质上还是一个 Class 而已。

第二个方法是获取数组的里面的元素的类型,比如 int[] 数组的 componentType 自然就是 int。

按照惯例,写代码验证。

打印结果如下:

反射中动态创建数组

反射创建数组是通过 Array.newInstance() 这个方法。 Array.java

第一个参数指定的是数组内的元素类型,后面的是可变参数,表示的是相应维度的数组长度限制。

比如,我要创建一个 int[2][3] 的数组。

Array 的读取与赋值

首先,对于 Array 整体的读取与赋值,把它作为一个普通的 Field,根据 Class 中相应获取和设置就好了。调用的是 Field 中对应的方法。

还需要处理的情况是对于数组中指定位置的元素进行读取与赋值,这要涉及到 Array 提供的一系列 setXXX() 和 getXXX() 方法。因为和之前 Field 相应的 set 、get 方法类似,所以我在下面只摘抄典型的几种,大家很容易知晓其它类型的怎么操作。

进行代码测试:

打印结果如下:

反射中的枚举 Enum

同数组一样,枚举本质上也是一个 Class 而已,但反射中还是把它单独提出来了。

我们来看一般程序开发中枚举的表现形式。

枚举真的跟类很相似,有修饰符、有方法、有属性字段甚至可以有构造方法。

在 Java 反射中,可以把枚举看成一般的 Class,但是反射机制也提供了 3 个特别的的 API 用于操控枚举。

枚举的获取与设定

因为等同于 Class,所以枚举的获取与设定就可以通过 Field 中的 get() 和 set() 方法。

需要注意的是,如果要获取枚举里面的 Field、Method、Constructor 可以调用 Class 的通用 API。

用例子来加深理解吧。

打印结果如下:

到这里,反射的所有知识基本上讲完了。下面进行模拟实战。

反射与自动驾驶

文章开头,我用自动驾驶的技术来比喻反射,实际上的目的是为了给初学者一个大体的印象和一个模糊的轮廓,实际上反射不是自动驾驶,它是什么取决于你自己对它的理解。

下段代码的目标是为了对比,先定义一个类 AutoDrive,这个类有一系列的属性,然后有一系列的方法,先用普通编码的方式来创建这个类的对象,调用它的方法。然后用反射的机制模拟自动驾驶。

汽车开动的步骤,以手动档为例。 1. 空档发动。 2. 打左转向灯。 3. 踩离合挂一档。 4. 起步松手铩。

现在代码模拟

我们只要创建一个 AutoDrive 的对象,调用它的 drive() 方法就好了。

结果如下:

我们现在要使用自动驾驶技术,具体到代码就是反射,因为非常规嘛。

最后,打印结果:

总结

  1. Java 中的反射是非常规编码方式。
  2. Java 反射机制的操作入口是获取 Class 文件。 有 Class.forName()、 .class 和 Object.getClass() 3 种。
  3. 获取 Class 对象后还不够,需要获取它的 Members,包含 Field、Method、Constructor。
  4. Field 操作主要涉及到类别的获取,及数值的读取与赋值。
  5. Method 算是反射机制最核心的内容,通常的反射都是为了调用某个 Method 的 invoke() 方法。
  6. 通过 Class.newInstance() 和 Constructor.newInstance() 都可以创建类的对象实例,但推荐后者。因为它适应于任何构造方法,而前者只会调用可见的无参数的构造方法。
  7. 数组和枚举可以被看成普通的 Class 对待。

最后,需要注意的是。

反射是非常规开发手段,它会抛弃 Java 虚拟机的很多优化,所以同样功能的代码,反射要比正常方式要慢,所以考虑到采用反射时,要考虑它的时间成本。另外,就如无人驾驶之于汽车一样,用着很爽的同时,其实风险未知。

原文发布于微信公众号 - Java帮帮(javahelp)

原文发表时间:2018-10-13

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