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Java 反射原理

Java技术 winrains 来源:Jay_huaxiao 6个月前 (03-28) 35次浏览

前言

反射是Java底层框架的灵魂技术,学习反射非常有必要,本文将从入门概念,到实践,再到原理讲解反射,希望对大家有帮助。

反射理解

官方解析

Oracle 官方对反射的解释是:

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.

Java 的反射机制是指在运行状态中,对于任意一个类都能够知道这个类所有的属性和方法; 并且对于任意一个对象,都能够调用它的任意一个方法;这种动态获取信息以及动态调用对象方法的功能成为Java语言的反射机制。

白话理解

正射

万物有阴必有阳,有正必有反。既然有反射,就必有“正射”。

那么正射是什么呢?

我们在编写代码时,当需要使用到某一个类的时候,都会先了解这个类是做什么的。然后实例化这个类,接着用实例化好的对象进行操作,这就是正射。

Student student = new Student();
student.doHomework("数学");

反射

反射就是,一开始并不知道我们要初始化的类对象是什么,自然也无法使用 new 关键字来创建对象了。

Class clazz = Class.forName("reflection.Student");
Method method = clazz.getMethod("doHomework", String.class);
Constructor constructor = clazz.getConstructor();
Object object = constructor.newInstance();
method.invoke(object, "语文");

正射与反射对比

以上两段代码,执行效果是一样的,如图

但是,其实现的过程还是有很大的差别的:

  • 第一段代码在未运行前就已经知道了要运行的类是Student
  • 第二段代码则是到整个程序运行的时候,从字符串reflection.Student,才知道要操作的类是Student

结论

反射就是在运行时才知道要操作的类是什么,并且可以在运行时获取类的完整构造,并调用对应的方法。

Class 对象理解

要理解Class对象,我们先来了解一下RTTI吧。 RTTI(Run-Time Type Identification)运行时类型识别,其作用是在运行时识别一个对象的类型和类的信息。

Java是如何让我们在运行时识别对象和类的信息的?主要有两种方式: 一种是传统的RRTI,它假定我们在编译期已知道了所有类型。 另一种是反射机制,它允许我们在运行时发现和使用类的信息。

每个类都有一个Class对象,每当编译一个新类就产生一个Class对象(更恰当地说,是被保存在一个同名的.class文件中)。比如创建一个Student类,那么,JVM就会创建一个Student对应Class类的Class对象,该Class对象保存了Student类相关的类型信息。

Class类的对象作用是运行时提供或获得某个对象的类型信息

反射的基本使用

获取 Class 类对象

获取反射中的Class对象有三种方法。

第一种,使用 Class.forName 静态方法。

Class class1 = Class.forName("reflection.TestReflection");

第二种,使用类的.class 方法

Class class2 = TestReflection.class;

第三种,使用实例对象的 getClass() 方法。

TestReflection testReflection = new TestReflection();
Class class3 = testReflection.getClass();

反射创造对象,获取方法,成员变量,构造器

本小节学习反射的基本API用法,如获取方法,成员变量等。

反射创造对象

通过反射创建类对象主要有两种方式:

实例代码:

//方式一
Class class1 = Class.forName("reflection.Student");
Student student = (Student) class1.newInstance();
System.out.println(student);

//方式二
Constructor constructor = class1.getConstructor();
Student student1 = (Student) constructor.newInstance();
System.out.println(student1);

运行结果:

反射获取类的构造器

看一个例子吧:

Class class1 = Class.forName("reflection.Student");
Constructor[] constructors = class1.getDeclaredConstructors();
for (int i = 0; i < constructors.length; i++) {
    System.out.println(constructors[i]);
 }

反射获取类的成员变量

看demo:

// student 一个私有属性age,一个公有属性email
public class Student {

    private Integer age;

    public String email;
}

public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException {
        Class class1 = Class.forName("reflection.Student");
        Field email = class1.getField("email");
        System.out.println(email);
        Field age = class1.getField("age");
        System.out.println(age);
    }
}

运行结果:

getField(String name) 根据参数变量名,返回一个具体的具有public属性的成员变量,如果该变量不是public属性,则报异常。

反射获取类的方法

demo

public class Student {

    private void testPrivateMethod() {
        
    }
    public void testPublicMethod() {
        
    }
}

public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException {
        Class class1 = Class.forName("reflection.Student");

        Method[] methods = class1.getMethods();
        for (int i = 0; i < methods.length; i++) {
            System.out.println(methods[i]);
        }
    }
}

运行结果:

反射的实现原理

通过上一小节学习,我们已经知道反射的基本API用法了。接下来,跟着一个例子,学习反射方法的执行链路。

public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class clazz = Class.forName("reflection.TestReflection");
        Method method = clazz.getMethod("target", String.class);
        method.invoke(null, "666");
    }

    public static void target(String str) {
        //打印堆栈信息
        new Exception("#" +str).printStackTrace();
        System.out.println("invoke target method");
    }
}

堆栈信息反映出反射调用链路:

java.lang.Exception: #666
invoke target method
  at reflection.TestReflection.target(TestReflection.java:17)
  at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
  at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
  at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
  at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
  at reflection.TestReflection.main(TestReflection.java:11)

invoke方法执行时序图

我们跟着反射链路去看一下源码,先看Method的invoke方法:

public Object invoke(Object obj, Object... args)
    throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
       InvocationTargetException
{
    //校验权限
    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(); //获取MethodAccessor
    }
    //返回MethodAccessor.invoke
    return ma.invoke(obj, args);
}

由上可知道,Method 的 invoke 方法,其实是返回接口MethodAccessor的invoke方法。MethodAccessor接口有三个实现类,到底调用的是哪个类的 invoke 方法呢?

进入acquireMethodAccessor方法,可以看到MethodAccessor由ReflectionFactory 的 newMethodAccessor方法决定。

再进ReflectionFactory的newMethodAccessor方法,我们可以看到返回的是DelegatingMethodAccessorImpl对象,也就是说调用的是它的invoke方法。

再看DelegatingMethodAccessorImpl的invoke方法

DelegatingMethodAccessorImpl的invoke方法返回的是MethodAccessorImpl的invoke方法,而MethodAccessorImpl的invoke方法,由它的子类NativeMethodAccessorImpl重写,这时候返回的是本地方法invoke0,如下

因此,Method的invoke方法,是由本地方法invoke0决定的,再底层就是c++相关了,有兴趣的朋友可以继续往下研究。

反射的一些应用以及问题

反射应用

反射是Java框架的灵魂技术,很多框架都使用了反射技术,如spring,Mybatis,Hibernate等。

JDBC 的数据库的连接

在JDBC连接数据库中,一般包括加载驱动,获得数据库连接等步骤。而加载驱动,就是引入相关Jar包后,通过Class.forName() 即反射技术,加载数据库的驱动程序。

Spring 框架的使用

Spring 通过 XML 配置模式装载 Bean,也是反射的一个典型例子。

装载过程:

  • 将程序内XML 配置文件加载入内存中
  • Java类解析xml里面的内容,得到相关字节码信息
  • 使用反射机制,得到Class实例
  • 动态配置实例的属性,使用

这样做当然是有好处的:

不用每次都去new实例了,并且可以修改配置文件,比较灵活。

反射存在的问题

性能问题

java反射的性能并不好,原因主要是编译器没法对反射相关的代码做优化。 有兴趣的朋友,可以看一下这个文章java-reflection-why-is-it-so-slow

安全问题

我们知道单例模式的设计过程中,会强调将构造器设计为私有,因为这样可以防止从外部构造对象。但是反射可以获取类中的域、方法、构造器,修改访问权限。所以这样并不一定是安全的。

看个例子吧,通过反射使用私有构造器实例化。

public class Student {
    private String name;
    private Student(String name) {
        System.out.println("我是私有构造器,我被实例化了");
        this.name = name;
    }
    public void doHomework(String subject) {
        System.out.println("我的名字是" + name);
        System.out.println("我在做"+subject+"作业");
    }
}
public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class clazz = Class.forName("reflection.Student");
        // 获取私有构造方法对象
        Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class);
        // true指示反射的对象在使用时应该取消Java语言访问检查。
        constructor.setAccessible(true);
        Student student = (Student) constructor.newInstance("jay@huaxiao");
        student.doHomework("数学");
    }
}

运行结果:

显然,反射不管你是不是私有,一样可以调用。 所以,使用反射通常需要程序的运行没有安全限制。如果一个程序对安全性有强制要求,最好不要使用反射啦。

参考与感谢

作者:Jay_huaxiao

来源:https://juejin.im/post/5de3242e6fb9a071886675d7


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