【Java基础】反射机制
学过JVM虚拟机后我们知道，在Java中，类采用了懒加载机制，在真正使用的时候会被类加载器加载到内存中。这个过程是通过ClassLoader的loadClass()方法实现的，loadClass()方法采用了双亲委派模型。
1. 反射的概念
本部分转载自 https://blog.csdn.net/moakun/article/details/80577292
Java 反射是Java语言的一个很重要的特征，它使得Java具体了“动态性”。
为什么需要反射呢？
有时候我们在运行时需要接收外部对象（比如动态代理），该对象编译期是一个Object类型，但是程序有时需要调用该对象的方法。编译器是无法得知对象真实信息的，这个时候就需要通过反射在运行期动态获取类的信息了。
在Java运行时环境中，对于任意一个类，能否知道这个类有哪些属性和方法？对于任意一个对象，能否调用它的任意一个方法？答案是肯定的。这种动态获取类的信息以及动态调用对象的方法的功能来自于Java 语言的反射（Reflection）机制。
Java 反射机制主要提供了以下功能：
- 在运行时判断任意一个对象所属的类。
- 在运行时构造任意一个类的对象。
- 在运行时判断任意一个类所具有的成员变量和方法。
- 在运行时调用任意一个对象的方法。
Reflection 是Java被视为动态（或准动态）语言的一个关键性质。这个机制允许程序在运行时透过Reflection APIs取得任何一个已知名称的class的内部信息，包括其modifiers（诸如public, static 等等）、superclass（例如Object）、实现之interfaces（例如Serializable），也包括fields和methods的所有信息，并可于运行时改变fields内容或调用methods。
一般而言，开发者社群说到动态语言，大致认同的一个定义是：“程序运行时，允许改变程序结构或变量类型，这种语言称为动态语言”。从这个观点看，Perl，Python，Ruby是动态语言，C++，Java，C#不是动态语言。
尽管在这样的定义与分类下Java不是动态语言，它却有着一个非常突出的动态相关机制：Reflection。这个字的意思是“反射、映象、倒影”，用在Java身上指的是我们可以于运行时加载、探知、使用编译期间完全未知的classes。换句话说，Java程序可以加载一个运行时才得知名称的class，获悉其完整构造（但不包括methods定义），并生成其对象实体、或对其fields设值、或唤起其methods。这种“看透class”的能力（the ability of the program to examine itself）被称为introspection（内省、内观、反省）。Reflection和introspection是常被并提的两个术语。
在JDK中，主要由以下类来实现Java反射机制，这些类都位于java.lang.reflect包中：
- Class类：代表一个类。
- Field 类：代表类的成员变量（成员变量也称为类的属性）。
- Method类：代表类的方法。
- Constructor 类：代表类的构造方法。
- Array类：提供了动态创建数组，以及访问数组的元素的静态方法。
下面给出几个Reflection API的使用例子：
1. 通过Class类获取成员变量、成员方法、接口、超类、构造方法等
在java.lang.Object 类中定义了getClass()方法，因此对于任意一个Java对象，都可以通过此方法获得对象的类型。Class类是Reflection API 中的核心类，它有以下方法
getName()：获得类的完整名字。
getFields()：获得类的public类型的属性。
getDeclaredFields()：获得类的所有属性。
getMethods()：获得类的public类型的方法。
getDeclaredMethods()：获得类的所有方法。
getMethod(String name, Class[] parameterTypes)：获得类的特定方法，name参数指定方法的名字，parameterTypes 参数指定方法的参数类型。
getConstructors()：获得类的public类型的构造方法。
getConstructor(Class[] parameterTypes)：获得类的特定构造方法，parameterTypes 参数指定构造方法的参数类型。
newInstance()：通过类的不带参数的构造方法创建这个类的一个对象。
下面给出一个综合运用的例子：
public class RefConstructor {
public static void main(String args[]) throws Exception {
RefConstructor ref = new RefConstructor();
ref.getConstructor();
}
public void getConstructor() throws Exception {
Class c = null;
c = Class.forName("java.lang.Long");
Class cs[] = {java.lang.String.class};
System.out.println("\n-------------------------------\n");
Constructor cst1 = c.getConstructor(cs);
System.out.println("1、通过参数获取指定Class对象的构造方法：");
System.out.println(cst1.toString());
Constructor cst2 = c.getDeclaredConstructor(cs);
System.out.println("2、通过参数获取指定Class对象所表示的类或接口的构造方法：");
System.out.println(cst2.toString());
Constructor cst3 = c.getEnclosingConstructor();
System.out.println("3、获取本地或匿名类Constructor 对象，它表示基础类的立即封闭构造方法。");
if (cst3 != null) System.out.println(cst3.toString());
else System.out.println("-- 没有获取到任何构造方法！");
Constructor[] csts = c.getConstructors();
System.out.println("4、获取指定Class对象的所有构造方法：");
for (int i = 0; i < csts.length; i++) {
System.out.println(csts[i].toString());
}
System.out.println("\n-------------------------------\n");
Type types1[] = c.getGenericInterfaces();
System.out.println("1、返回直接实现的接口：");
for (int i = 0; i < types1.length; i++) {
System.out.println(types1[i].toString());
}
Type type1 = c.getGenericSuperclass();
System.out.println("2、返回直接超类：");
System.out.println(type1.toString());
Class[] cis = c.getClasses();
System.out.println("3、返回超类和所有实现的接口：");
for (int i = 0; i < cis.length; i++) {
System.out.println(cis[i].toString());
}
Class cs1[] = c.getInterfaces();
System.out.println("4、实现的接口");
for (int i = 0; i < cs1.length; i++) {
System.out.println(cs1[i].toString());
}
System.out.println("\n-------------------------------\n");
Field fs1[] = c.getFields();
System.out.println("1、类或接口的所有可访问公共字段：");
for (int i = 0; i < fs1.length; i++) {
System.out.println(fs1[i].toString());
}
Field f1 = c.getField("MIN_VALUE");
System.out.println("2、类或接口的指定已声明指定公共成员字段：");
System.out.println(f1.toString());
Field fs2[] = c.getDeclaredFields();
System.out.println("3、类或接口所声明的所有字段：");
for (int i = 0; i < fs2.length; i++) {
System.out.println(fs2[i].toString());
}
Field f2 = c.getDeclaredField("serialVersionUID");
System.out.println("4、类或接口的指定已声明指定字段：");
System.out.println(f2.toString());
System.out.println("\n-------------------------------\n");
Method m1[] = c.getMethods();
System.out.println("1、返回类所有的公共成员方法：");
for (int i = 0; i < m1.length; i++) {
System.out.println(m1[i].toString());
}
Method m2 = c.getMethod("longValue", new Class[]{});
System.out.println("2、返回指定公共成员方法：");
System.out.println(m2.toString());
}
}输出结果：输出结果很长，这里不再给出。
2. 运行时复制对象
例程ReflectTester 类进一步演示了Reflection API的基本使用方法。ReflectTester类有一个copy(Object object)方法，这个方法能够创建一个和参数object 同样类型的对象，然后把object对象中的所有属性拷贝到新建的对象中，并将它返回
这个例子只能复制简单的JavaBean，假定JavaBean 的每个属性都有public 类型的getXXX()和setXXX()方法。
public class ReflectTester {
public Object copy(Object object) throws Exception {
// 获得对象的类型
Class<?> classType = object.getClass();
System.out.println("Class:" + classType.getName());
// 通过默认构造方法创建一个新的对象
Object objectCopy = classType.getConstructor(new Class[]{}).newInstance(new Object[]{});
// 获得对象的所有属性
Field fields[] = classType.getDeclaredFields();
for (int i = 0; i < fields.length; i++) {
Field field = fields[i];
String fieldName = field.getName();
String firstLetter = fieldName.substring(0, 1).toUpperCase();
// 获得和属性对应的getXXX()方法的名字
String getMethodName = "get" + firstLetter + fieldName.substring(1);
// 获得和属性对应的setXXX()方法的名字
String setMethodName = "set" + firstLetter + fieldName.substring(1);
// 获得和属性对应的getXXX()方法
Method getMethod = classType.getMethod(getMethodName, new Class[]{});
// 获得和属性对应的setXXX()方法
Method setMethod = classType.getMethod(setMethodName, new Class[]{field.getType()});
// 调用原对象的getXXX()方法
Object value = getMethod.invoke(object, new Object[]{});
System.out.println(fieldName + ":" + value);
// 调用拷贝对象的setXXX()方法
setMethod.invoke(objectCopy, new Object[]{value});
}
return objectCopy;
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
Customer customer = new Customer("Tom", 21);
customer.setId(new Long(1));
Customer customerCopy = (Customer) new ReflectTester().copy(customer);
System.out.println("Copy information:" + customerCopy.getId() + " " + customerCopy.getName() + " "
+ customerCopy.getAge());
}
}
class Customer {
private Long id;
private String name;
private int age;
public Customer() {
}
public Customer(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
public Long getId() {
return id;
}
public void setId(Long id) {
this.id = id;
}
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;
}
}输出结果：
Class:com.langsin.reflection.Customer id:1 name:Tom age:21 Copy information:1 Tom 21 Process finished with exit code 0
解说：
ReflectTester 类的copy(Object object)方法依次执行以下步骤
（1） 获得对象的类型：
Class classType=object.getClass();
System.out.println("Class:"+classType.getName());（2） 通过默认构造方法创建一个新对象：
Object objectCopy=classType.getConstructor(new Class[]{}).newInstance(new Object[]{});以上代码先调用Class类的getConstructor()方法获得一个Constructor 对象，它代表默认的构造方法，然后调用Constructor对象的newInstance()方法构造一个实例。
（3） 获得对象的所有属性：
Field fields[]=classType.getDeclaredFields();
Class 类的getDeclaredFields()方法返回类的所有属性，包括public、protected、默认和private访问级别的属性
（4） 获得每个属性相应的getXXX()和setXXX()方法，然后执行这些方法，把原来对象的属性拷贝到新的对象中
3. 用反射机制调用对象的方法
public class InvokeTester {
public int add(int param1, int param2) {
return param1 + param2;
}
public String echo(String msg) {
return "echo: " + msg;
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
Class<?> classType = InvokeTester.class;
Object invokeTester = classType.newInstance();
// Object invokeTester = classType.getConstructor(new
// Class[]{}).newInstance(new Object[]{});
//获取InvokeTester类的add()方法
Method addMethod = classType.getMethod("add", new Class[]{int.class, int.class});
//调用invokeTester对象上的add()方法
Object result = addMethod.invoke(invokeTester, new Object[]{new Integer(100), new Integer(200)});
System.out.println((Integer) result);
//获取InvokeTester类的echo()方法
Method echoMethod = classType.getMethod("echo", new Class[]{String.class});
//调用invokeTester对象的echo()方法
result = echoMethod.invoke(invokeTester, new Object[]{"Hello"});
System.out.println((String) result);
}
}在例程InvokeTester类的main()方法中，运用反射机制调用一个InvokeTester对象的add()和echo()方法
add()方法的两个参数为int 类型，获得表示add()方法的Method对象的代码如下：
Method addMethod=classType.getMethod("add",new Class[]{int.class,int.class});Method类的invoke(Object obj,Object args[])方法接收的参数必须为对象，如果参数为基本类型数据，必须转换为相应的包装类型的对象。invoke()方法的返回值总是对象，如果实际被调用的方法的返回类型是基本类型数据，那么invoke()方法会把它转换为相应的包装类型的对象，再将其返回。
在本例中，尽管InvokeTester 类的add()方法的两个参数以及返回值都是int类型，调用add Method 对象的invoke()方法时，只能传递Integer 类型的参数，并且invoke()方法的返回类型也是Integer 类型，Integer 类是int 基本类型的包装类：
Object result=addMethod.invoke(invokeTester,
new Object[]{new Integer(100),new Integer(200)});
System.out.println((Integer)result); //result 为Integer类型4. 动态创建和访问数组
java.lang.Array 类提供了动态创建和访问数组元素的各种静态方法。
例程ArrayTester1 类的main()方法创建了一个长度为10 的字符串数组，接着把索引位置为5 的元素设为“hello”，然后再读取索引位置为5 的元素的值
public class ArrayTester1 {
public static void main(String args[]) throws Exception {
Class<?> classType = Class.forName("java.lang.String");
// 创建一个长度为10的字符串数组
Object array = Array.newInstance(classType, 10);
// 把索引位置为5的元素设为"hello"
Array.set(array, 5, "hello");
// 获得索引位置为5的元素的值
String s = (String) Array.get(array, 5);
System.out.println(s);
}
}例程ArrayTester2 类的main()方法创建了一个 5 x 10 x 15 的整型数组，并把索引位置为[3][5][10] 的元素的值为设37。
public class ArrayTester2 {
public static void main(String args[]) {
int[] dims = new int[]{5, 10, 15};
//创建一个具有指定的组件类型和维度的新数组。
Object array = Array.newInstance(Integer.TYPE, dims);
Object arrayObj = Array.get(array, 3);
Class<?> cls = arrayObj.getClass().getComponentType();
System.out.println(cls);
arrayObj = Array.get(arrayObj, 5);
Array.setInt(arrayObj, 10, 37);
int arrayCast[][][] = (int[][][]) array;
System.out.println(arrayCast[3][5][10]);
}
}深入认识Class类
众所周知Java有个Object类，是所有Java类的继承根源，其内声明了数个应该在所有Java类中被改写的方法：hashCode()、equals()、clone()、toString()、getClass()等。其中getClass()返回一个Class类的对象。
Class类十分特殊。它和一般classes一样继承自Object，其实体用以表达Java程序运行时的classes和interfaces，也用来表达enum、array、primitive Java types（boolean, byte, char, short, int, long, float, double）以及关键词void。当一个class被加载，或当加载器（class loader）的defineClass()被JVM调用，JVM 便自动产生一个Class object。如果您想借由“修改Java标准库源码”来观察Class object的实际生成时机（例如在Class的constructor内添加一个println()），不能够！因为Class并没有public constructor
Class是Reflection起源。针对任何您想探勘的class，唯有先为它产生一个Class object，接下来才能经由后者唤起为数十多个的Reflection APIs
Java允许我们从多种途径为一个class生成对应的Class对象。参看本人的《 深入研究java.long.Class类 》(https://blog.51cto.com/lavasoft/15433)一文。
欲生成对象实体，在Reflection 动态机制中有两种作法，一个针对“无自变量ctor”，一个针对“带参数ctor”。如果欲调用的是“带参数ctor“就比较麻烦些，不再调用Class的newInstance()，而是调用Constructor 的newInstance()。首先准备一个Class[]做为ctor的参数类型（本例指定为一个double和一个int），然后以此为自变量调用getConstructor()，获得一个专属ctor。接下来再准备一个Object[] 做为ctor实参值（本例指定3.14159和125），调用上述专属ctor的newInstance()。
动态生成“Class object 所对应之class”的对象实体；无自变量。
这个动作和上述调用“带参数之ctor”相当类似。首先准备一个Class[]做为参数类型（本例指定其中一个是String，另一个是Hashtable），然后以此为自变量调用getMethod()，获得特定的Method object。接下来准备一个Object[]放置自变量，然后调用上述所得之特定Method object的invoke()。
为什么获得Method object时不需指定回返类型？
因为method overloading机制要求signature必须唯一，而回返类型并非signature的一个成份。换句话说，只要指定了method名称和参数列，就一定指出了一个独一无二的method。
4. 运行时变更field内容
与先前两个动作相比，“变更field内容”轻松多了，因为它不需要参数和自变量。首先调用Class的getField()并指定field名称。获得特定的Field object之后便可直接调用Field的get()和set()。
public class RefFiled {
public double x;
public Double y;
public static void main(String args[]) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
Class c = RefFiled.class;
Field xf = c.getField("x");
Field yf = c.getField("y");
RefFiled obj = new RefFiled();
System.out.println("变更前x=" + xf.get(obj));
//变更成员x值
xf.set(obj, 1.1);
System.out.println("变更后x=" + xf.get(obj));
System.out.println("变更前y=" + yf.get(obj));
//变更成员y值
yf.set(obj, 2.1);
System.out.println("变更后y=" + yf.get(obj));
}
}运行结果：
变更前x=0.0 变更后x=1.1 变更前y=null 变更后y=2.1 Process finished with exit code 0
2. 探究ClassLoader源码
首先来看看官方备注:
/** * A class loader is an object that is responsible for loading classes. The * class <tt>ClassLoader</tt> is an abstract class. Given the <a * href="#name">binary name</a> of a class, a class loader should attempt to * locate or generate data that constitutes a definition for the class. A * typical strategy is to transform the name into a file name and then read a * "class file" of that name from a file system. */
大意是说，类加载器是用来加载类的（这是当然）。ClassLoader是一个抽象类，当你给出一个类的二进制名称（全限定名），类加载器将会尝试定位或者产生构成这个类的数据（加载进内存）。
1. 核心方法loadClass
/**
* Loads the class with the specified <a href="#name">binary name</a>. The
* default implementation of this method searches for classes in the
* following order:
*
* <ol>
*
* <li><p> Invoke {@link #findLoadedClass(String)} to check if the class
* has already been loaded. </p></li>
*
* <li><p> Invoke the {@link #loadClass(String) <tt>loadClass</tt>} method
* on the parent class loader. If the parent is <tt>null</tt> the class
* loader built-in to the virtual machine is used, instead. </p></li>
*
* <li><p> Invoke the {@link #findClass(String)} method to find the
* class. </p></li>
*
* </ol>
*
* <p> If the class was found using the above steps, and the
* <tt>resolve</tt> flag is true, this method will then invoke the {@link
* #resolveClass(Class)} method on the resulting <tt>Class</tt> object.
*
* <p> Subclasses of <tt>ClassLoader</tt> are encouraged to override {@link
* #findClass(String)}, rather than this method. </p>
*
* <p> Unless overridden, this method synchronizes on the result of
* {@link #getClassLoadingLock <tt>getClassLoadingLock</tt>} method
* during the entire class loading process.
*
* @param name
* The <a href="#name">binary name</a> of the class
*
* @param resolve
* If <tt>true</tt> then resolve the class
*
* @return The resulting <tt>Class</tt> object
*
* @throws ClassNotFoundException
* If the class could not be found
*/
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// First, check if the class has already been loaded
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
}
if (c == null) {
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
// this is the defining class loader; record the stats
sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}老规矩先来看看备注：
大意是说根据一个类的二进制名（全限定名）加载这个类。默认的寻找类的实现遵循下面的顺序：
- 调用findLoadedClass()方法检查这个类是不是已经被加载了；
- 调用父类的loadClass()方法。如果父类为null，说明应该使用内置JVM类加载器；
- 当前类加载器调用findClass()方法自己来寻找类。
- 如果，按照以上的步骤成功的找到对应的类，并且该方法接收的resolve标志为true,那么就调用resolveClass()方法来处理类。 如果你要自己写ClassLoader，那么你的ClassLoader子类最好覆盖findClass()而不是loadClass()方法。除非被重写，这个方法默认在整个装载过程中都是同步的（线程安全的）。
其中resolveClass()方法的作用是链接指定的类。这个方法给Classloader用来链接一个类，如果这个类已经被链接过了，那么这个方法只做一个简单的返回。否则，这个类将被按照 Java™规范中的Execution描述进行链接。
loadClass方法使用同步代码块保证线程安全，锁住的对象是getClassLoadingLock(name)，我们看看这个方法的源码：
/**
* Returns the lock object for class loading operations.
* For backward compatibility, the default implementation of this method
* behaves as follows. If this ClassLoader object is registered as
* parallel capable, the method returns a dedicated object associated
* with the specified class name. Otherwise, the method returns this
* ClassLoader object.
*
* @param className
* The name of the to-be-loaded class
*
* @return the lock for class loading operations
*
* @throws NullPointerException
* If registered as parallel capable and <tt>className</tt> is null
*
* @see #loadClass(String, boolean)
*
* @since 1.7
*/
protected Object getClassLoadingLock(String className) {
Object lock = this;
if (parallelLockMap != null) {
Object newLock = new Object();
lock = parallelLockMap.putIfAbsent(className, newLock);
if (lock == null) {
lock = newLock;
}
}
return lock;
}这个方法用到了成员变量parallelLockMap，并根据这个变量的值进行不同的操作，如果这个变量是null，那么直接返回this，如果这个属性不为null，那么就新建一个对象，然后再调用一个putIfAbsent(className, newLock)方法来给刚刚创建好的对象赋值。
private final ConcurrentHashMap<String, Object> parallelLockMap;
这个变量的初始化是在ClassLoader的构造函数中完成的。
首先，在ClassLoader类中有一个静态内部类ParallelLoaders，他会指定的类的并行能力，如果当前的加载器被定位为具有并行能力，那么他就给parallelLockMap定义，就是new一个 ConcurrentHashMap<>()，那么这个时候，我们知道如果当前的加载器是具有并行能力的，那么parallelLockMap就不是Null，这个时候，我们判断parallelLockMap是不是Null，如果他是null，说明该加载器没有注册并行能力，那么我们没有必要给他一个加锁的对象，getClassLoadingLock方法直接返回this，就是当前的加载器的一个实例。
如果这个parallelLockMap不是null，那就说明该加载器是有并行能力的，那么就可能有并行情况，那就需要返回一个锁对象。然后就是创建一个新的Object对象，调用parallelLockMap的putIfAbsent(className, newLock)方法，这个方法的作用是：首先根据传进来的className,检查该名字是否已经关联了一个value值，如果已经关联过value值，那么直接把他关联的值返回，如果没有关联过值的话，那就把我们传进来的Object对象作为value值，className作为Key值组成一个map返回。然后无论putIfAbsent方法的返回值是什么，都把它赋值给我们刚刚生成的那个Object对象。
这个时候，我们来简单说明下getClassLoadingLock(String className)的作用，就是： 为类的加载操作返回一个锁对象。为了向后兼容，这个方法这样实现:如果当前的classloader对象注册了并行能力，方法返回一个与指定的名字className相关联的特定对象，否则，直接返回当前的ClassLoader对象。
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