深入理解 Java 的反射

“二哥，什么是反射呀？”三妹开门见山地问。

“要想知道什么是反射，就需要先来了解什么是‘正射’。”我笑着对三妹说，“一般情况下，我们在使用某个类之前已经确定它到底是个什么类了，拿到手就直接可以使用 new 关键字来调用构造方法进行初始化，之后使用这个类的对象来进行操作。”

  1. Writer writer = new Writer();
  2. writer.setName("沉默王二");

像上面这个例子，就可以理解为“正射”。而反射就意味着一开始我们不知道要初始化的类到底是什么，也就没法直接使用 new 关键字创建对象了。

我们只知道这个类的一些基本信息，就好像我们看电影的时候，为了抓住一个犯罪嫌疑人，警察就会问一些目击证人，根据这些证人提供的信息，找专家把犯罪嫌疑人的样貌给画出来——这个过程，就可以称之为反射。

  1. Class clazz = Class.forName("com.itwanger.s39.Writer");
  2. Method method = clazz.getMethod("setName", String.class);
  3. Constructor constructor = clazz.getConstructor();
  4. Object object = constructor.newInstance();
  5. method.invoke(object,"沉默王二");

像上面这个例子，就可以理解为“反射”。

“反射的写法比正射复杂得多啊！”三妹感慨地说。

“是的，反射的成本是要比正射的高得多。”我说，“反射的缺点主要有两个。”

  • 破坏封装：由于反射允许访问私有字段和私有方法，所以可能会破坏封装而导致安全问题。
  • 性能开销：由于反射涉及到动态解析，因此无法执行 Java 虚拟机优化，再加上反射的写法的确要复杂得多，所以性能要比“正射”差很多，在一些性能敏感的程序中应该避免使用反射。

“那反射有哪些好处呢？”三妹问。

反射的主要应用场景有：

  • 开发通用框架：像 Spring，为了保持通用性，通过配置文件来加载不同的对象，调用不同的方法。
  • 动态代理：在面向切面编程中，需要拦截特定的方法，就会选择动态代理的方式，而动态代理的底层技术就是反射。
  • 注解：注解本身只是起到一个标记符的作用，它需要利用发射机制，根据标记符去执行特定的行为。

“好了，来看一下完整的例子吧。”我对三妹说。

Writer 类，有两个字段，然后还有对应的 getter/setter。

  1. public class Writer {
  2.     private int age;
  3.     private String name;
  5.     public int getAge() {
  6.         return age;
  7.     }
  9.     public void setAge(int age) {
  10.         this.age = age;
  11.     }
  13.     public String getName() {
  14.         return name;
  15.     }
  17.     public void setName(String name) {
  18.         this.name = name;
  19.     }
  20. }

测试类：

  1. public class ReflectionDemo1 {
  2.     public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
  3.         Writer writer = new Writer();
  4.         writer.setName("沉默王二");
  5.         System.out.println(writer.getName());
  7.         Class clazz = Class.forName("com.itwanger.s39.Writer");
  8.         Constructor constructor = clazz.getConstructor();
  9.         Object object = constructor.newInstance();
  11.         Method setNameMethod = clazz.getMethod("setName", String.class);
  12.         setNameMethod.invoke(object, "沉默王二");
  13.         Method getNameMethod = clazz.getMethod("getName");
  14.         System.out.println(getNameMethod.invoke(object));
  15.     }
  16. }

来看一下输出结果：

  1. 沉默王二
  2. 沉默王二

只不过，反射的过程略显曲折了一些。

第一步，获取反射类的 Class 对象：

  1. Class clazz = Class.forName("com.itwanger.s39.Writer");

第二步，通过 Class 对象获取构造方法 Constructor 对象：

  1. Constructor constructor = clazz.getConstructor();

第三步，通过 Constructor 对象初始化反射类对象：

  1. Object object = constructor.newInstance();

第四步，获取要调用的方法的 Method 对象：

  1. Method setNameMethod = clazz.getMethod("setName", String.class);
  2. Method getNameMethod = clazz.getMethod("getName");

第五步，通过 invoke() 方法执行：

  1. setNameMethod.invoke(object, "沉默王二");
  2. getNameMethod.invoke(object)

“三妹，你看，经过这五个步骤，基本上就掌握了反射的使用方法。”我说。

“好像反射也没什么复杂的啊！”三妹说。

我先对三妹点点头，然后说：“是的，掌握反射的基本使用方法确实不难，但要理解整个反射机制还是需要花一点时间去了解一下 Java 虚拟机的类加载机制的。”

要想使用反射，首先需要获得反射类的 Class 对象，每一个类，不管它最终生成了多少个对象，这些对象只会对应一个 Class 对象，这个 Class 对象是由 Java 虚拟机生成的，由它来获悉整个类的结构信息。

也就是说，java.lang.Class 是所有反射 API 的入口。

而方法的反射调用，最终是由 Method 对象的 invoke() 方法完成的，来看一下源码（JDK 8 环境下）。

  1. @CallerSensitive
  2. public Object invoke(Object obj, Object... args)
  3.         throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
  4.         InvocationTargetException
  5. {
  6.     if (!override) {
  7.         if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
  8.             Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
  9.             checkAccess(caller, clazz, obj, modifiers);
  10.         }
  11.     }
  12.     MethodAccessor ma = methodAccessor;             // read volatile
  13.     if (ma == null) {
  14.         ma = acquireMethodAccessor();
  15.     }
  16.     return ma.invoke(obj, args);
  17. }

两个嵌套的 if 语句是用来进行权限检查的。

invoke() 方法实际上是委派给 MethodAccessor 接口来完成的。

深入理解 Java 的反射 - 图1

MethodAccessor 接口有三个实现类，其中的 MethodAccessorImpl 是一个抽象类，另外两个具体的实现类继承了这个抽象类。

深入理解 Java 的反射 - 图2

  • NativeMethodAccessorImpl：通过本地方法来实现反射调用；
  • DelegatingMethodAccessorImpl：通过委派模式来实现反射调用；

通过 debug 的方式进入 invoke() 方法后，可以看到第一次反射调用会生成一个委派实现 DelegatingMethodAccessorImpl，它在生成的时候会传递一个本地实现 NativeMethodAccessorImpl。

深入理解 Java 的反射 - 图3

也就是说，invoke() 方法在执行的时候，会先调用 DelegatingMethodAccessorImpl，然后调用 NativeMethodAccessorImpl，最后再调用实际的方法。

“为什么不直接调用本地实现呢？”三妹问。

“之所以采用委派实现，是为了能够在本地实现和动态实现之间切换。动态实现是另外一种反射调用机制，它是通过生成字节码的形式来实现的。如果反射调用的次数比较多，动态实现的效率就会更高，因为本地实现需要经过 Java 到 C/C++ 再到 Java 之间的切换过程，而动态实现不需要；但如果反射调用的次数比较少，反而本地实现更快一些。”我说。

“那临界点是多少呢？”三妹问。

“默认是 15 次。”我说，“可以通过 -Dsun.reflect.inflationThreshold 参数类调整。”

来看下面这个例子。

  1. Method setAgeMethod = clazz.getMethod("setAge", int.class);
  2. for (int i = 0;i < 20; i++) {
  3.     setAgeMethod.invoke(object, 18);
  4. }

在 invoke() 方法处加断点进入 debug 模式，当 i = 15 的时候，也就是第 16 次执行的时候，会进入到 if 条件分支中，改变 DelegatingMethodAccessorImpl 的委派模式 delegate 为 (MethodAccessorImpl)(new MethodAccessorGenerator()).generateMethod()，而之前的委派模式 delegate 为 NativeMethodAccessorImpl。

深入理解 Java 的反射 - 图4

“这下明白了吧？三妹。”我说，“接下来，我们再来熟悉一下反射当中常用的 API。”

1）获取反射类的 Class 对象

Class.forName()，参数为反射类的完全限定名。

  1. Class c1 = Class.forName("com.itwanger.s39.ReflectionDemo3");
  2. System.out.println(c1.getCanonicalName());
  4. Class c2 = Class.forName("[D");
  5. System.out.println(c2.getCanonicalName());
  7. Class c3 = Class.forName("[[Ljava.lang.String;");
  8. System.out.println(c3.getCanonicalName());

来看一下输出结果：

  1. com.itwanger.s39.ReflectionDemo3
  2. double[]
  3. java.lang.String[][]

类名 + .class，只适合在编译前就知道操作的 Class。。

  1. Class c1 = ReflectionDemo3.class;
  2. System.out.println(c1.getCanonicalName());
  4. Class c2 = String.class;
  5. System.out.println(c2.getCanonicalName());
  7. Class c3 = int[][][].class;
  8. System.out.println(c3.getCanonicalName());

来看一下输出结果：

  1. com.itwanger.s39.ReflectionDemo3
  2. java.lang.String
  3. int[][][]

2）创建反射类的对象

通过反射来创建对象的方式有两种：

  • 用 Class 对象的 newInstance() 方法。
  • 用 Constructor 对象的 newInstance() 方法。
  1. Class c1 = Writer.class;
  2. Writer writer = (Writer) c1.newInstance();
  4. Class c2 = Class.forName("com.itwanger.s39.Writer");
  5. Constructor constructor = c2.getConstructor();
  6. Object object = constructor.newInstance();

3）获取构造方法

Class 对象提供了以下方法来获取构造方法 Constructor 对象：

  • getConstructor()：返回反射类的特定 public 构造方法，可以传递参数，参数为构造方法参数对应 Class 对象；缺省的时候返回默认构造方法。
  • getDeclaredConstructor()：返回反射类的特定构造方法，不限定于 public 的。
  • getConstructors()：返回类的所有 public 构造方法。
  • getDeclaredConstructors()：返回类的所有构造方法，不限定于 public 的。
  1. Class c2 = Class.forName("com.itwanger.s39.Writer");
  2. Constructor constructor = c2.getConstructor();
  4. Constructor[] constructors1 = String.class.getDeclaredConstructors();
  5. for (Constructor c : constructors1) {
  6.     System.out.println(c);
  7. }

4）获取字段

大体上和获取构造方法类似，把关键字 Constructor 换成 Field 即可。

  1. Method setNameMethod = clazz.getMethod("setName", String.class);
  2. Method getNameMethod = clazz.getMethod("getName");

5）获取方法

大体上和获取构造方法类似，把关键字 Constructor 换成 Method 即可。

  1. Method[] methods1 = System.class.getDeclaredMethods();
  2. Method[] methods2 = System.class.getMethods();

“注意，三妹，如果你想反射访问私有字段和（构造）方法的话，需要使用 Constructor/Field/Method.setAccessible(true) 来绕开 Java 语言的访问限制。”我说。

“好的，二哥。还有资料可以参考吗？”三妹问。

“有的，有两篇文章写得非常不错，你在学习反射的时候可以作为参考。”我说。

第一篇：深入理解 Java 反射和动态代理

链接：https://dunwu.github.io/javacore/basics/java-reflection.html#_1-%E5%8F%8D%E5%B0%84%E7%AE%80%E4%BB%8B

第二篇：大白话说Java反射：入门、使用、原理：

链接：https://www.cnblogs.com/chanshuyi/p/head_first_of_reflection.html

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