读懂框架设计的灵魂 — Java 反射机制-java反射机制的底层原理

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Java 反射机制对于小白来说，真的是一道巨大的坎儿，其他的东西吧，无非就是内容多点，多看看多背背就好了，反射真的就是不管看了多少遍不理解就还是不理解，而且学校里面的各大教材应该都没有反射这个章节，有也是一带而过。说实话，在这篇文章之前，我对反射也并非完全了解，毕竟平常开发基本用不到，不过，看完这篇文章相信你对反射就没啥疑点了。

全文脉络思维导图如下：

1. 抛砖引玉：为什么要使用反射前文我们说过，接口的使用提高了代码的可维护性和可扩展性，并且降低了代码的耦合度。来看个例子：

首先，我们拥有一个接口 X 及其方法 test，和两个对应的实现类 A、B：

public class Test { 
     
    interface X { 
     public void test(); 
 } 
 
    class A implements X{ 
        @Override 
        public void test() { 
             System.out.println("I am A"); 
        } 
    } 
 
    class B implements X{ 
        @Override 
        public void test() { 
            System.out.println("I am B"); 
    } 
}

通常情况下，我们需要使用哪个实现类就直接 new 一个就好了，看下面这段代码：

public class Test {     
 
    ...... 
 
 public static void main(String[] args) { 
        X a = create1("A"); 
        a.test(); 
        X b = create1("B"); 
        b.test(); 
    } 
 
    public static X create1(String name){ 
        if (name.equals("A")) { 
            return new A(); 
        } else if(name.equals("B")){ 
            return new B(); 
        } 
        return null; 
    } 
 
}

按照上面这种写法，如果有成百上千个不同的 X 的实现类需要创建，那我们岂不是就需要写上千个 if 语句来返回不同的 X 对象?

我们来看看看反射机制是如何做的：

public class Test { 
 
    public static void main(String[] args) { 
  X a = create2("A"); 
        a.test(); 
        X b = create2("B"); 
        b.testReflect(); 
    } 
     
 // 使用反射机制 
    public static X create2(String name){ 
        Class<?> class = Class.forName(name); 
        X x = (X) class.newInstance(); 
        return x; 
    } 
}

向 create2() 方法传入包名和类名，通过反射机制动态的加载指定的类，然后再实例化对象。

看完上面这个例子，相信诸位对反射有了一定的认识。反射拥有以下四大功能：

在运行时(动态编译)获知任意一个对象所属的类。
在运行时构造任意一个类的对象。
在运行时获知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和属性。

上述这种「动态获取信息、动态调用对象的方法」的功能称为 Java 语言的反射机制。

2. 理解 Class 类

要想理解反射，首先要理解 Class 类，因为 Class 类是反射实现的基础。

在程序运行期间，JVM 始终为所有的对象维护一个被称为「运行时的类型标识」，这个信息跟踪着每个对象所属的类的完整结构信息，包括包名、类名、实现的接口、拥有的方法和字段等。可以通过专门的 Java 类访问这些信息，这个类就是 Class类。我们可以把 Class 类理解为「类的类型」，一个 Class 对象，称为类的类型对象，「一个 Class 对象对应一个加载到 JVM 中的一个 .class 文件」。

在通常情况下，一定是先有类再有对象。以下面这段代码为例，类的正常加载过程是这样的：

import java.util.Date; // 先有类 
 
public class Test { 
    public static void main(String[] args) { 
        Date date = new Date(); // 后有对象 
        System.out.println(date); 
    } 
}

首先 JVM 会将你的代码编译成一个 .class 字节码文件，然后被类加载器(Class Loader)加载进 JVM 的内存中，「同时会创建一个 Date 类的 Class 对象存到堆中」(注意这个不是 new 出来的对象，而是类的类型对象)。JVM 在创建 Date对象前，会先检查其类是否加载，寻找类对应的 Class 对象，若加载好，则为其分配内存，然后再进行初始化 new Date()。

需要注意的是，「每个类只有一个 Class 对象」，也就是说如果我们有第二条 new Date() 语句，JVM 不会再生成一个 Date 的 Class 对象，因为已经存在一个了。这也使得我们可以利用 == 运算符实现两个类对象比较的操作：

System.out.println(date.getClass() == Date.getClass()); // true

OK，那么在加载完一个类后，堆内存的方法区就产生了一个 Class 对象，这个对象就包含了完整的类的结构信息，「我们可以通过这个 Class 对象看到类的结构」，就好比一面镜子。所以我们形象的称之为：反射。

说的再详细点，再解释一下。上文说过，在通常情况下，一定是先有类再有对象，我们把这个通常情况称为 “正”。那么反射中的这个 “反” 我们就可以理解为根据对象找到对象所属的类(对象的出处)

Date date = new Date(); 
System.out.println(date.getClass()); // "class java.util.Date"

通过反射，也就是调用了 getClass() 方法后，我们就获得了 Date 类对应的 Class 对象，看到了 Date 类的结构，输出了 Date 对象所属的类的完整名称，即找到了对象的出处。当然，获取 Class 对象的方式不止这一种。

3. 获取 Class 类对象的四种方式

从 Class 类的源码可以看出，它的构造函数是私有的，也就是说只有 JVM 可以创建 Class 类的对象，我们不能像普通类一样直接 new 一个 Class 对象。

我们只能通过已有的类来得到一个 Class类对象，Java 提供了四种方式：

「第一种：知道具体类的情况下可以使用」：

Class alunbarClass = TargetObject.class;

但是我们一般是不知道具体类的，基本都是通过遍历包下面的类来获取 Class 对象，通过此方式获取 Class 对象不会进行初始化。

「第二种：通过 Class.forName()传入全类名获取」：

Class alunbarClass1 = Class.forName("com.xxx.TargetObject");

这个方法内部实际调用的是 forName0：

第 2 个 boolean 参数表示类是否需要初始化，默认是需要初始化。一旦初始化，就会触发目标对象的 static 块代码执行，static 参数也会被再次初始化。

「第三种：通过对象实例 instance.getClass() 获取」：

Date date = new Date(); 
Class alunbarClass2 = date.getClass(); // 获取该对象实例的 Class 类对象

「第四种：通过类加载器 xxxClassLoader.loadClass() 传入类路径获取」

class clazz = ClassLoader.LoadClass("com.xxx.TargetObject");

通过类加载器获取 Class 对象不会进行初始化，意味着不进行包括初始化等一些列步骤，静态块和静态对象不会得到执行。这里可以和 forName 做个对比。

4. 通过反射构造一个类的实例

上面我们介绍了获取 Class 类对象的方式，那么成功获取之后，我们就需要构造对应类的实例。下面介绍三种方法，第一种最为常见，最后一种大家稍作了解即可。

① 使用 Class.newInstance

举个例子：

Date date1 = new Date(); 
Class alunbarClass2 = date1.getClass(); 
Date date2 = alunbarClass2.newInstance(); // 创建一个与 alunbarClass2 具有相同类类型的实例

创建了一个与 alunbarClass2 具有相同类类型的实例。

需要注意的是，「newInstance方法调用默认的构造函数(无参构造函数)初始化新创建的对象。如果这个类没有默认的构造函数，就会抛出一个异常」。

② 通过反射先获取构造方法再调用

由于不是所有的类都有无参构造函数又或者类构造器是 private 的，在这样的情况下，如果我们还想通过反射来实例化对象，Class.newInstance 是无法满足的。

此时，我们可以使用 Constructor 的 newInstance 方法来实现，先获取构造函数，再执行构造函数。

从上面代码很容易看出，Constructor.newInstance 是可以携带参数的，而 Class.newInstance 是无参的，这也就是为什么它只能调用无参构造函数的原因了。

大家不要把这两个 newInstance 方法弄混了。如果被调用的类的构造函数为默认的构造函数，采用Class.newInstance() 是比较好的选择，一句代码就 OK;如果需要调用类的带参构造函数、私有构造函数等，就需要采用 Constractor.newInstance()

Constructor.newInstance 是执行构造函数的方法。我们来看看获取构造函数可以通过哪些渠道，作用如其名，以下几个方法都比较好记也容易理解，返回值都通过 Cnostructor 类型来接收。

「批量获取构造函数」：

1)获取所有"公有的"构造方法

public Constructor[] getConstructors() { }

2)获取所有的构造方法(包括私有、受保护、默认、公有)

public Constructor[] getDeclaredConstructors() { }

「单个获取构造函数」：

1)获取一个指定参数类型的"公有的"构造方法

public Constructor getConstructor(Class... parameterTypes) { }

2)获取一个指定参数类型的"构造方法"，可以是私有的，或受保护、默认、公有

public Constructor getDeclaredConstructor(Class... parameterTypes) { }

举个例子：

package fanshe; 
 
public class Student { 
 //（默认的构造方法） 
 Student(String str){ 
  System.out.println("(默认)的构造方法 s = " + str); 
 } 
 // 无参构造方法 
 public Student(){ 
  System.out.println("调用了公有、无参构造方法执行了。。。"); 
 } 
 // 有一个参数的构造方法 
 public Student(char name){ 
  System.out.println("姓名：" + name); 
 } 
 // 有多个参数的构造方法 
 public Student(String name ,int age){ 
  System.out.println("姓名："+name+"年龄："+ age);//这的执行效率有问题，以后解决。 
 } 
 // 受保护的构造方法 
 protected Student(boolean n){ 
  System.out.println("受保护的构造方法 n = " + n); 
 } 
 // 私有构造方法 
 private Student(int age){ 
  System.out.println("私有的构造方法年龄："+ age); 
 } 
} 
 
---------------------------------- 
     
public class Constructors { 
 public static void main(String[] args) throws Exception { 
  // 加载Class对象 
  Class clazz = Class.forName("fanshe.Student"); 
         
  // 获取所有公有构造方法 
  Constructor[] conArray = clazz.getConstructors(); 
  for(Constructor c : conArray){ 
   System.out.println(c); 
  } 
         
  // 获取所有的构造方法(包括：私有、受保护、默认、公有) 
  conArray = clazz.getDeclaredConstructors(); 
  for(Constructor c : conArray){ 
   System.out.println(c); 
  } 
         
  // 获取公有、无参的构造方法 
        // 因为是无参的构造方法所以类型是一个null,不写也可以：这里需要的是一个参数的类型，切记是类型 
  // 返回的是描述这个无参构造函数的类对象。 
  Constructor con = clazz.getConstructor(null); 
  Object obj = con.newInstance(); // 调用构造方法 
   
  // 获取私有构造方法 
  con = clazz.getDeclaredConstructor(int.class); 
  System.out.println(con); 
  con.setAccessible(true); // 为了调用 private 方法/域 我们需要取消安全检查 
  obj = con.newInstance(12); // 调用构造方法 
 } 
}

③ 使用开源库 Objenesis

Objenesis 是一个开源库，和上述第二种方法一样，可以调用任意的构造函数，不过封装的比较简洁：

public class Test { 
    // 不存在无参构造函数 
    private int i; 
    public Test(int i){ 
        this.i = i; 
    } 
    public void show(){ 
        System.out.println("test..." + i); 
    } 
} 
 
------------------------ 
     
public static void main(String[] args) { 
        Objenesis objenesis = new ObjenesisStd(true); 
        Test test = objenesis.newInstance(Test.class); 
        test.show(); 
    }

使用非常简单，Objenesis 由子类 ObjenesisObjenesisStd实现。详细源码此处就不深究了，了解即可。

5. 通过反射获取成员变量并使用

和获取构造函数差不多，获取成员变量也分批量获取和单个获取。返回值通过Field 类型来接收。

「批量获取」：

1)获取所有公有的字段

public Field[] getFields() { }

2)获取所有的字段(包括私有、受保护、默认的)

public Field[] getDeclaredFields() { }

「单个获取」：

1)获取一个指定名称的公有的字段

public Field getField(String name) { }

2)获取一个指定名称的字段，可以是私有、受保护、默认的

public Field getDeclaredField(String name) { }

获取到成员变量之后，如何修改它们的值呢?

set 方法包含两个参数：

obj：哪个对象要修改这个成员变量
value：要修改成哪个值

举个例子:

package fanshe.field; 
 
public class Student { 
 public Student(){ 
         
 } 
  
 public String name; 
 protected int age; 
 char sex; 
 private String phoneNum; 
  
 @Override 
 public String toString() { 
  return "Student [name=" + name + ", age=" + age + ", sex=" + sex 
    + ", phoneNum=" + phoneNum + "]"; 
 } 
} 
 
---------------------------------- 
     
public class Fields { 
    public static void main(String[] args) throws Exception { 
        // 获取 Class 对象 
        Class stuClass = Class.forName("fanshe.field.Student"); 
        // 获取公有的无参构造函数 
        Constructor con = stuClass.getConstructor(); 
   
  // 获取私有构造方法 
  con = clazz.getDeclaredConstructor(int.class); 
  System.out.println(con); 
  con.setAccessible(true); // 为了调用 private 方法/域 我们需要取消安全检查 
  obj = con.newInstance(12); // 调用构造方法 
         
        // 获取所有公有的字段 
        Field[] fieldArray = stuClass.getFields(); 
        for(Field f : fieldArray){ 
            System.out.println(f); 
        } 
 
         // 获取所有的字段 (包括私有、受保护、默认的) 
        fieldArray = stuClass.getDeclaredFields(); 
        for(Field f : fieldArray){ 
            System.out.println(f); 
        } 
 
        // 获取指定名称的公有字段 
        Field f = stuClass.getField("name"); 
        Object obj = con.newInstance(); // 调用构造函数，创建该类的实例 
        f.set(obj, "刘德华"); // 为 Student 对象中的 name 属性赋值 
 
 
        // 获取私有字段 
        f = stuClass.getDeclaredField("phoneNum"); 
        f.setAccessible(true); // 暴力反射，解除私有限定 
        f.set(obj, "18888889999"); // 为 Student 对象中的 phoneNum 属性赋值 
    } 
}

6. 通过反射获取成员方法并调用

同样的，获取成员方法也分批量获取和单个获取。返回值通过 Method 类型来接收。

「批量获取」：

1)获取所有"公有方法"(包含父类的方法，当然也包含 Object 类)

public Method[] getMethods() { }

2)获取所有的成员方法，包括私有的(不包括继承的)

public Method[] getDeclaredMethods() { }

「单个获取」：

获取一个指定方法名和参数类型的成员方法：

public Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)

获取到方法之后该怎么调用它们呢?

invoke 方法中包含两个参数：

obj：哪个对象要来调用这个方法
args：调用方法时所传递的实参

举个例子：

package fanshe.method; 
  
public class Student { 
 public void show1(String s){ 
  System.out.println("调用了：公有的，String参数的show1(): s = " + s); 
 } 
 protected void show2(){ 
  System.out.println("调用了：受保护的，无参的show2()"); 
 } 
 void show3(){ 
  System.out.println("调用了：默认的，无参的show3()"); 
 } 
 private String show4(int age){ 
  System.out.println("调用了，私有的，并且有返回值的，int参数的show4(): age = " + age); 
  return "abcd"; 
 } 
} 
 
------------------------------------------- 
public class MethodClass { 
 public static void main(String[] args) throws Exception { 
  // 获取 Class对象 
  Class stuClass = Class.forName("fanshe.method.Student"); 
        // 获取公有的无参构造函数 
        Constructor con = stuClass.getConstructor(); 
         
  // 获取所有公有方法 
  stuClass.getMethods(); 
  Method[] methodArray = stuClass.getMethods(); 
  for(Method m : methodArray){ 
   System.out.println(m); 
  } 
         
  // 获取所有的方法，包括私有的 
  methodArray = stuClass.getDeclaredMethods(); 
  for(Method m : methodArray){ 
   System.out.println(m); 
  } 
         
  // 获取公有的show1()方法 
  Method m = stuClass.getMethod("show1", String.class); 
  System.out.println(m); 
  Object obj = con.newInstance(); // 调用构造函数，实例化一个 Student 对象 
  m.invoke(obj, "小牛肉"); 
   
  // 获取私有的show4()方法 
  m = stuClass.getDeclaredMethod("show4", int.class); 
  m.setAccessible(true); // 解除私有限定 
  Object result = m.invoke(obj, 20); 
  System.out.println("返回值：" + result); 
 } 
}

7. 反射机制优缺点

「优点」：比较灵活，能够在运行时动态获取类的实例。

「缺点」：

1)性能瓶颈：反射相当于一系列解释操作，通知 JVM 要做的事情，性能比直接的 Java 代码要慢很多。

2)安全问题：反射机制破坏了封装性，因为通过反射可以获取并调用类的私有方法和字段。

8. 反射的经典应用场景

反射在我们实际编程中其实并不会直接大量的使用，但是实际上有很多设计都与反射机制有关，比如：

动态代理机制
使用 JDBC 连接数据库
Spring / Hibernate 框架(实际上是因为使用了动态代理，所以才和反射机制有关)

为什么说动态代理使用了反射机制，下篇文章会给出详细解释。

JDBC 连接数据库

在 JDBC 的操作中，如果要想进行数据库的连接，则必须按照以下几步完成：

通过 Class.forName() 加载数据库的驱动程序 (通过反射加载)
通过 DriverManager 类连接数据库，参数包含数据库的连接地址、用户名、密码
通过 Connection 接口接收连接
关闭连接

public static void main(String[] args) throws Exception {   
        Connection con = null; // 数据库的连接对象   
        // 1. 通过反射加载驱动程序 
        Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");  
        // 2. 连接数据库   
        con = DriverManager.getConnection( 
            "jdbc:mysql://localhost:3306/test","root","root");  
        // 3. 关闭数据库连接 
        con.close();  
}

Spring 框架

反射机制是 Java 框架设计的灵魂，框架的内部都已经封装好了，我们自己基本用不着写。典型的除了Hibernate 之外，还有 Spring 也用到了很多反射机制，最典型的就是 Spring 通过 xml 配置文件装载 Bean(创建对象)，也就是「Spring 的 IoC」，过程如下：

加载配置文件，获取 Spring 容器
使用反射机制，根据传入的字符串获得某个类的 Class 实例

// 获取 Spring 的 IoC 容器，并根据 id 获取对象 
public static void main(String[] args) { 
    // 1.使用 ApplicationContext 接口加载配置文件，获取 spring 容器 
    ApplicationContext ac = new ClassPathXmlApplicationContext("spring.xml"); 
    // 2. 使用反射机制，根据这个字符串获得某个类的 Class 实例 
    IAccountService aService = (IAccountService) ac.getBean("accountServiceImpl"); 
    System.out.println(aService); 
}

另外，「Spring AOP 由于使用了动态代理，所以也使用了反射机制」，这点我会在 Spring 的系列文章中详细解释。