Java：一步步带你深入了解神秘的Java反射机制 - 好文

前言

* 在 Java中，反射机制（Reflection）非常重要，但对于很多开发者来说，这并不容易理解，甚至觉得有点神秘
* 今天，我将献上一份 Java反射机制的介绍 & 实战攻略，希望你们会喜欢。

目录

1. 简介

*
定义：Java语言中一种动态（运行时）访问、检测 & 修改它本身的能力

*
作用：动态（运行时）获取类的完整结构信息 & 调用对象的方法

* 类的结构信息包括：变量、方法等
* 正常情况下，Java类在编译前，就已经被加载到JVM中；而反射机制使得程序运行时还可以动态地去操作类的变量、方法等信息
2. 特点

2.1 优点

灵活性高。因为反射属于动态编译，即只有到运行时才动态创建 &获取对象实例。

编译方式说明：
1. 静态编译：在编译时确定类型 & 绑定对象。如常见的使用new关键字创建对象
2. 动态编译：运行时确定类型 & 绑定对象。动态编译体现了Java的灵活性、多态特性 & 降低类之间的藕合性

2.2 缺点

*
执行效率低
因为反射的操作主要通过JVM执行，所以时间成本会高于直接执行相同操作

*
因为接口的通用性，Java的invoke方法是传object和object[]数组的。基本类型参数需要装箱和拆箱，产生大量额外的对象和内存开销，频繁促发GC。
* 编译器难以对动态调用的代码提前做优化，比如方法内联。
* 反射需要按名检索类和方法，有一定的时间开销。
*
容易破坏类结构
因为反射操作饶过了源码，容易干扰类原有的内部逻辑

3. 应用场景

* 动态获取类文件结构信息（如变量、方法等） & 调用对象的方法
* 常用的需求场景有：动态代理、工厂模式优化、Java JDBC数据库操作等

下文会用实际例子详细讲解

4. 具体使用

4.1 Java反射机制提供的功能

4.2 实现手段

* 反射机制的实现主要通过操作java.lang.Class类
* 下面将主要讲解 java.lang.Class 类
4.2.1 java.lang.Class 类

* 定义：java.lang.Class类是反射机制的基础
*
作用：存放着对应类型对象的运行时信息

* 在Java程序运行时，Java虚拟机为所有类型维护一个java.lang.Class对象
* 该Class对象存放着所有关于该对象的运行时信息
* 泛型形式为Class<T>
*
每种类型的Class对象只有1个 = 地址只有1个
// 对于2个String类型对象，它们的Class对象相同 Class c1 = "Carson".getClass(); Class c2 =
Class.forName("java.lang.String"); // 用==运算符实现两个类对象地址的比较 System.out.println(c1
==c2);// 输出结果：true
* Java反射机制的实现除了依靠Java.lang.Class类，还需要依靠：Constructor类、Field类、Method
类，分别作用于类的各个组成部分：

4.3 使用步骤

在使用Java反射机制时，主要步骤包括：
1. 获取目标类型的Class对象
2. 通过 Class 对象分别获取Constructor类对象、Method类对象 & Field 类对象
3. 通过 Constructor类对象、Method类对象 & Field类对象分别获取类的构造函数、方法&属性的具体信息，并进行后续操作

下面，我将详细讲解每个步骤中的使用方法。

步骤1：获取目标类型的Class对象
// 获取目标类型的`Class`对象的方式主要有4种 <-- 方式1：Object.getClass() --> //
Object类中的getClass()返回一个Class类型的实例 Boolean carson = true; Class<?> classType =
carson.getClass(); System.out.println(classType); // 输出结果：class
java.lang.Boolean <-- 方式2：T.class 语法 --> // T = 任意Java类型 Class<?> classType =
Boolean.class; System.out.println(classType); // 输出结果：class java.lang.Boolean
// 注：Class对象表示的是一个类型，而这个类型未必一定是类 // 如，int不是类，但int.class是一个Class类型的对象 <-- 方式3：
static method Class.forName --> Class<?> classType = Class.forName
("java.lang.Boolean"); // 使用时应提供异常处理器 System.out.println(classType); //
输出结果：class java.lang.Boolean <-- 方式4：TYPE语法 --> Class<?> classType = Boolean.
TYPE; System.out.println(classType); // 输出结果：boolean
此处额外讲一下java.lang.reflect.Type类

* java.lang.reflect.Type是 Java中所有类型的父接口
* 这些类型包括:

* 之间的关系如下

步骤2：通过 Class 对象分别获取Constructor类对象、Method类对象 & Field 类对象
// 即以下方法都属于`Class` 类的方法。 <-- 1. 获取类的构造函数（传入构造函数的参数类型）->> // a. 获取指定的构造函数（公共 /
继承） Constructor<T> getConstructor(Class<?>... parameterTypes) // b.
获取所有的构造函数（公共 / 继承）Constructor<?>[] getConstructors(); // c. 获取指定的构造函数（不包括继承）
Constructor<T> getDeclaredConstructor(Class<?>... parameterTypes) // d.
获取所有的构造函数（不包括继承）Constructor<?>[] getDeclaredConstructors(); //
最终都是获得一个Constructor类对象 // 特别注意： // 1. 不带 "Declared"的方法支持取出包括继承、公有（Public） &
不包括有（Private）的构造函数 // 2. 带
"Declared"的方法是支持取出包括公共（Public）、保护（Protected）、默认（包）访问和私有（Private）的构造方法，但不包括继承的构造函数
// 下面同理 <-- 2. 获取类的属性（传入属性名） --> // a. 获取指定的属性（公共 / 继承） Field getField(String
name) ;// b. 获取所有的属性（公共 / 继承） Field[] getFields() ; // c. 获取指定的所有属性（不包括继承）
Field getDeclaredField(String name) ；// d. 获取所有的所有属性（不包括继承） Field[]
getDeclaredFields() ；// 最终都是获得一个Field类对象 <-- 3. 获取类的方法（传入方法名 & 参数类型）--> // a.
获取指定的方法（公共 / 继承） Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes) ； //
b. 获取所有的方法（公共 / 继承） Method[] getMethods() ； // c. 获取指定的方法（不包括继承） Method
getDeclaredMethod(String name, Class<?>... parameterTypes) ； // d. 获取所有的方法（
不包括继承）Method[] getDeclaredMethods() ； // 最终都是获得一个Method类对象 <-- 4. Class类的其他常用方法
-->getSuperclass(); // 返回父类 String getName(); //
作用：返回完整的类名（含包名，如java.lang.String ） Object newInstance(); // 作用：快速地创建一个类的实例 //
具体过程：调用默认构造器（若该类无默认构造器，则抛出异常 //
注：若需要为构造器提供参数需使用java.lang.reflect.Constructor中的newInstance（）
步骤3：通过 Constructor类对象、Method类对象 & Field类对象分别获取类的构造函数、方法 & 属性的具体信息 & 进行操作
// 即以下方法都分别属于`Constructor`类、`Method`类 & `Field`类的方法。 <-- 1. 通过Constructor
类对象获取类构造函数信息 --> StringgetName()；// 获取构造器名 Class getDeclaringClass()；//
获取一个用于描述类中定义的构造器的Class对象 int getModifiers()；// 返回整型数值，用不同的位开关描述访问修饰符的使用状况 Class
[] getExceptionTypes()；// 获取描述方法抛出的异常类型的Class对象数组 Class[] getParameterTypes()；
// 获取一个用于描述参数类型的Class对象数组 <-- 2. 通过Field类对象获取类属性信息 --> String getName()；//
返回属性的名称 Class getDeclaringClass()； // 获取属性类型的Class类型对象 Class getType()；//
获取属性类型的Class类型对象 int getModifiers()； // 返回整型数值，用不同的位开关描述访问修饰符的使用状况 Object
get(Object obj) ；// 返回指定对象上此属性的值 void set(Object obj, Object value) // 设置
指定对象上此属性的值为value <-- 3. 通过Method 类对象获取类方法信息 --> String getName()；// 获取方法名 Class
getDeclaringClass()；// 获取方法的Class对象 int getModifiers()；//
返回整型数值，用不同的位开关描述访问修饰符的使用状况 Class[] getExceptionTypes()；//
获取用于描述方法抛出的异常类型的Class对象数组 Class[] getParameterTypes()；// 获取一个用于描述参数类型的Class对象数组
<--额外：java.lang.reflect.Modifier类 --> // 作用：获取访问修饰符 static String toString(int
modifiers) // 获取对应modifiers位设置的修饰符的字符串表示 static boolean isXXX(int modifiers) //
检测方法名中对应的修饰符在modifiers中的值
至此，关于Java反射机制的步骤说明已经讲解完毕。

4.4 特别注意：访问权限问题

*
背景
反射机制的默认行为受限于Java的访问控制

如，无法访问（ private ）私有的方法、字段

*
冲突
Java安全机制只允许查看任意对象有哪些域，而不允许读它们的值

若强制读取，将抛出异常

*
解决方案
脱离Java程序中安全管理器的控制、屏蔽Java语言的访问检查，从而脱离访问控制

*
具体实现手段：使用Field类、Method类 & Constructor类对象的setAccessible()
void setAccessible(boolean flag) // 作用：为反射对象设置可访问标志 // 规则：flag = true时
，表示已屏蔽Java语言的访问检查，使得可以访问 & 修改对象的私有属性 boolean isAccessible() // 返回反射对象的可访问标志的值
static void setAccessible(AccessibleObject[] array, boolean flag) // 设置对象数组可访问标志
5. 实例应用讲解

5.1 基础应用讲解

实例1：利用反射获取类的属性 & 赋值
<-- 测试类定义--> public class Student { public Student() { System.out.println(
"创建了一个Student实例"); } private String name; } <-- 利用反射获取属性 & 赋值 --> // 1.
获取Student类的Class对象 Class studentClass = Student.class; // 2.
通过Class对象创建Student类的对象 Object mStudent = studentClass.newInstance(); // 3.
通过Class对象获取Student类的name属性 Field f = studentClass.getDeclaredField("name"); //
4. 设置私有访问权限 f.setAccessible(true); // 5. 对新创建的Student对象设置name值 f.set(mStudent,
"Carson_Ho"); // 6. 获取新创建Student对象的的name属性 & 输出 System.out.println(f.get
(mStudent));
* 测试结果

* Demo地址
Carson_Ho的Github地址：Reflect_Demo1 <https://github.com/Carson-Ho/Reflect_Demo>
实例2：利用反射调用类的构造函数
<-- 测试类定义--> public class Student { // 无参构造函数 public Student() { System.out
.println("调用了无参构造函数"); } // 有参构造函数 public Student(String str) { System.out
.println("调用了有参构造函数"); } private String name; } <-- 利用反射调用构造函数 --> // 1.
获取Student类的Class对象 Class studentClass studentClass = Student.class; // 2.1
通过Class对象获取Constructor类对象，从而调用无参构造方法 //
注：构造函数的调用实际上是在newInstance()，而不是在getConstructor()中调用 Object mObj1 =
studentClass.getConstructor().newInstance();// 2.2
通过Class对象获取Constructor类对象（传入参数类型），从而调用有参构造方法 Object mObj2 =
studentClass.getConstructor(String.class).newInstance("Carson");
* 测试结果

* Demo地址
Carson_Ho的Github地址：Reflect_Demo2 <https://github.com/Carson-Ho/Reflect_Demo>
实例3：利用反射调用类对象的方法
<-- 测试类定义--> public class Student { public Student() { System.out.println(
"创建了一个Student实例"); } // 无参数方法 public void setName1 (){ System.out.println(
"调用了无参方法：setName1（）"); } // 有参数方法 public void setName2 (String str){ System.out
.println("调用了有参方法setName2（String str）:" + str); } } <-- 利用反射调用方法 --> // 1.
获取Student类的Class对象 Class studentClass = Student.class; // 2.
通过Class对象创建Student类的对象 Object mStudent = studentClass.newInstance(); // 3.1
通过Class对象获取方法setName1（）的Method对象:需传入方法名 // 因为该方法 = 无参，所以不需要传入参数 Method
msetName1 = studentClass.getMethod("setName1"); //
通过Method对象调用setName1（）：需传入创建的实例 msetName1.invoke(mStudent); // 3.2
通过Class对象获取方法setName2（）的Method对象:需传入方法名 & 参数类型 Method msetName2 =
studentClass.getMethod("setName2",String.class); //
通过Method对象调用setName2（）：需传入创建的实例 & 参数值 msetName2.invoke(mStudent,"Carson_Ho");
* 测试结果

* Demo地址
Carson_Ho的Github地址：Reflect_Demo3 <https://github.com/Carson-Ho/Reflect_Demo>
5.2 常见需求场景讲解

实例1：工厂模式优化

* 背景
采用简单工厂模式
* 冲突

* 操作成本高：每增加一个接口的子类，必须修改工厂类的逻辑
* 系统复杂性提高：每增加一个接口的子类，都必须向工厂类添加逻辑
关于简单工厂模式的介绍 & 使用请看文章：简单工厂模式（SimpleFactoryPattern）- 最易懂的设计模式解析
<https://blog.csdn.net/carson_ho/article/details/52223153>

*
解决方案
采用反射机制：通过传入子类名称 & 动态创建子类实例，从而使得在增加产品接口子类的情况下，也不需要修改工厂类的逻辑

*
实例演示

步骤1. 创建抽象产品类的公共接口

Product.java
abstract class Product{ public abstract void show(); }
步骤2. 创建具体产品类（继承抽象产品类），定义生产的具体产品
<-- 具体产品类A：ProductA.java --> public class ProductA extends Product{ @Override
public void show() { System.out.println("生产出了产品A"); } } <--
具体产品类B：ProductB.java -->public class ProductB extends Product{ @Override public
void show() { System.out.println("生产出了产品B"); } }
步骤3. 创建工厂类

Factory.java
public class Factory { // 定义方法：通过反射动态创建产品类实例 public static Product getInstance
(String ClassName) { Product concreteProduct =null; try { // 1. 根据传入的产品类名获取
产品类类型的Class对象 Class product_Class = Class.forName(ClassName); // 2.
通过Class对象动态创建该产品类的实例 concreteProduct = (Product) product_Class.newInstance(); }
catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } // 3. 返回该产品类实例 return
concreteProduct; } }
步骤4：外界通过调用工厂类的静态方法（反射原理），传入不同参数从而创建不同具体产品类的实例

TestReflect.java
public class TestReflect { public static void main(String[] args) throws
Exception {// 1. 通过调用工厂类的静态方法（反射原理），从而动态创建产品类实例 // 需传入完整的类名 & 包名 Product
concreteProduct = Factory.getInstance(
"scut.carson_ho.reflection_factory.ProductA"); // 2. 调用该产品类对象的方法，从而生产产品
concreteProduct.show(); } }
* 展示结果

* Demo地址
Carson_Ho的Github地址：Reflection_Factory1
<https://github.com/Carson-Ho/Reflection_Factory>
如此一来，通过采用反射机制（通过传入子类名称 & 动态创建子类实例），从而使得在增加产品接口子类的情况下，也不需要修改工厂类的逻辑 & 增加系统复杂度

实例2：应用了反射机制的工厂模式再次优化

* 背景
在上述方案中，通过调用工厂类的静态方法（反射原理），从而动态创建产品类实例（该过程中：需传入完整的类名 & 包名）
*
冲突
开发者无法提前预知接口中的子类类型 & 完整类名

*
解决方案
通过属性文件的形式（ Properties）配置所要的子类信息，在使用时直接读取属性配置文件从而获取子类信息（完整类名）

*
具体实现

步骤1：创建抽象产品类的公共接口

Product.java
abstract class Product{ public abstract void show(); }
步骤2. 创建具体产品类（继承抽象产品类），定义生产的具体产品
<-- 具体产品类A：ProductA.java --> public class ProductA extends Product{ @Override
public void show() { System.out.println("生产出了产品A"); } } <--
具体产品类B：ProductB.java -->public class ProductB extends Product{ @Override public
void show() { System.out.println("生产出了产品B"); } }
步骤3. 创建工厂类

Factory.java
public class Factory { // 定义方法：通过反射动态创建产品类实例 public static Product getInstance
(String ClassName) { Product concreteProduct =null; try { // 1. 根据传入的产品类名获取
产品类类型的Class对象 Class product_Class = Class.forName(ClassName); // 2.
通过Class对象动态创建该产品类的实例 concreteProduct = (Product) product_Class.newInstance(); }
catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } // 3. 返回该产品类实例 return
concreteProduct; } }
步骤4：创建属性配置文件
Product.properties
// 写入抽象产品接口类的子类信息（完整类名） ProductA = scut.carson_ho.reflection_factory.ProductA
ProductB = scut.carson_ho.reflection_factory.ProductB
步骤5：将属性配置文件放到src/main/assets文件夹中

若没assets文件夹，则自行创建

步骤6：在动态创建产品类对象时，动态读取属性配置文件从而获取子类完整类名
TestReflect.java
public class TestReflect { public static void main(String[] args) throws
Exception {// 1. 读取属性配置文件 Properties pro = new Properties() ; pro.load(this
.getAssets().open("Product.properties")); // 2. 获取属性配置文件中的产品类名 String Classname
= pro.getProperty("ProductA"); // 3. 动态生成产品类实例 Product concreteProduct =
Factory.getInstance(Classname);// 4. 调用该产品类对象的方法，从而生产产品 concreteProduct.show();
}
* 测试结果

* Demo地址
Carson_Ho的Github地址：Reflection_Factory2
<https://github.com/Carson-Ho/Reflection_Factory>
实例3：动态代理

通过反射机制实现动态代理，具体请看文章：设计模式：这是一份全面 & 清晰的动态代理模式（Proxy Pattern）学习指南
<https://blog.csdn.net/carson_ho/article/details/80589878>

6. 总结

*
本文全面讲解了Java反射机制（Reflection）的相关知识，相信您对Java反射机制已经非常了解

*
下面我将继续对 Android中的知识进行深入讲解，有兴趣可以继续关注Carson_Ho的安卓开发笔记
<https://blog.csdn.net/carson_ho>

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