Java反射機制深度剖析
Java反射機制是Java語言中一種很重要的機制，可能在工作中用到的機會不多，但是在很多框架中都有用到這種機制。我們知道Java是一門靜態語言，在程式編譯時變數的資料型別都已經確定，那麼在Java執行時環境中，對於任意一個類，我們能否知道這個類有哪些屬性和方法？對於任意一個物件，能否呼叫它的任意一個方法？答案是肯定的。這種動態獲取類的資訊以及動態呼叫物件的方法的功能來自於Java的反射機制（Reflection）。
1、Java反射機制提供的功能
主要提供了以下幾個功能：
1）在執行時判斷任意一個物件所屬的類；
2）在執行時構造任意一個類的物件；
3）在執行時判斷任意一個類所具有的成員變數和方法；
4）在執行時呼叫任意一個物件的方法。
反射讓Java具有了動態的特性，這種機制允許程式在執行時透過Reflection API獲取任意一個已知名稱的類的內部資訊，包括成員變數（fields）、方法（methods）、實現的介面（interfaces）、Java語言修飾符（modifiers）以及它的父類（superclass）等等，並可在執行時改變成員變數的內容或呼叫方法。
2、Java Reflection API
在JDK中，提供了以下類來實現Java反射機制，這些類都位於java.lang.reflect包下：
Class類：代表一個類（注意：Class類位於java.lang包下）；
Field類：代表類的成員變數；
Method類：代表類的方法；
Constructor類：代表類的構造方法；
Array類：提供了動態建立陣列，以及訪問陣列的元素的靜態方法。
通過API提供的這些類裡的方法，我們可以動態獲取想要的類的內部資訊。
3、獲取類的Class物件
Class類的例項表示正在執行的Java程式中的類和介面，每一個類都有對應的Class物件，不管一個類生成了多少個物件，這些物件都對應記憶體裡的同一個Class物件。Class類沒有public的構造方法，Class物件是在載入類時由Java虛擬機器自動構建的。
有以下幾種方式來獲取一個類的Class物件：
1）Class類提供的靜態方法：forName(String className)，引數className表示所需類的完全限定名。
1 public class GetClassObject { 2 3 public static void main(String[] args) throws Exception { 4 5 Class<?> classType = Class.forName("java.lang.String"); 6 7 System.out.println(classType);//輸出：class java.lang.String 8 } 9 10 }
2）運用.class語法
1 public class GetClassObject { 2 3 public static void main(String[] args) throws Exception { 4 5 Class<?> classType = String.class; 6 7 System.out.println(classType);//輸出：class java.lang.String 8 } 9 10 }
3）Object類提供的方法：getClass()
1 public class GetClassObject { 2 3 public static void main(String[] args) throws Exception { 4 5 Map map = new HashMap(); 6 Class<?> classType = map.getClass(); 7 8 System.out.println(classType);//輸出：class java.util.HashMap 9 } 10 11 }
4、獲取類的Field（成員變數）物件
類的每一個成員變數都對應一個Field物件，Class類提供了以下方法來獲取類的成員變數對應的Field物件：
1）Field getDeclaredField(String name)：根據傳入的變數名稱返回此Class物件所表示的類或介面中宣告的變數對應的Field物件。
2）Field[] getDeclaredFields()：返回一個Field型別的陣列，包含此Class物件所表示的類或介面中宣告的所有變數的Field物件。
3）Field getField(String name)：根據傳入的變數名返回一個Field物件，注意與getDeclaredField(String name)不同的是，此方法返回的是public變數對應的Field物件。
4）Field[] getFields()：返回一個Field型別的陣列，注意與Field[] getDeclaredFields()方法不同的是，此方法返回的是所有public變數對應的Field物件。
程式碼示例：
1 public class GetFieldObject { 2 3 public static void main(String[] args) throws Exception { 4 5 //首先，獲得String類的Class物件 6 Class<?> classType = Class.forName("java.lang.String"); 7 8 //獲得String類中宣告的所有成員變數的Field物件的陣列 9 Field[] fields = classType.getDeclaredFields(); 10 for(Field field : fields){ 11 System.out.println(field); 12 } 13 14 System.out.println("---------------------------------------------------------------------"); 15 16 //獲得String類中宣告的public成員變數的Field物件的陣列 17 Field[] publicFields = classType.getFields(); 18 for(Field field : publicFields){ 19 System.out.println(field); 20 } 21 22 } 23 24 }
輸出結果：
從結果輸出可以看出getDeclaredFields()與getFields()的區別：getDeclaredFields()返回的是所有屬性的Field物件；而getFields()返回的是宣告為public的屬性的Field物件。
5、獲取類的Method物件
類中的每一個方法都對應一個Method物件，Class類提供了以下方法來獲取類中的方法對應的Method物件：
1）Method getDeclaredMethod(String name, Class<?>… parameterTypes)：返回一個Method物件，引數name表示方法名，可變引數parameterTypes是一個Class物件的陣列，代表方法的引數的Class型別；
2）Method[] getDeclaredMethods()：返回Method物件的一個數組，這些物件反映此Class物件所表示的類或介面宣告的所有方法，包括公共、保護、預設訪問和私有方法，但不包括繼承的方法；
3）Method getMethod(String name, Class<?>… parameterTypes)：返回一個Method物件，注意和此Method物件對應的方法是公共(public)方法；
4）Method[] getMethods()：返回一個Method陣列，這些物件反映此Class物件所表示的類或介面中宣告的公共(public)方法（也包括父類或父介面中宣告的public方法）。
程式碼示例：
1 public class GetMethodObject { 2 3 public static void main(String[] args) throws Exception { 4 5 //首先，獲得類的Class物件 6 Class<?> classType = Class.forName("java.lang.reflect.Proxy"); 7 8 //獲得類中宣告的所有方法的Method物件的陣列，不包括繼承的父類的方法 9 Method[] methods = classType.getDeclaredMethods(); 10 for(Method method : methods){ 11 System.out.println(method); 12 } 13 14 System.out.println("----------------------------------------------------------------------"); 15 16 //獲得類中的public方法的Method物件的陣列，也包括繼承的父類的public方法 17 Method[] publicMethods = classType.getMethods(); 18 for(Method method : publicMethods){ 19 System.out.println(method); 20 } 21 22 } 23 24 }
輸出結果：
6、用反射機制呼叫物件的方法
Java反射機制可以在執行時動態呼叫類中的方法，Java Reflection API提供了我們所需的方法來完成動態呼叫。要想呼叫類中的方法首先要建立一個物件，我們通過類的Class物件來建立它所代表的類的例項，通過Class物件我們還能獲得類中宣告的方法的Method物件，Method類提供了Invoke方法來呼叫此Method物件所表示的方法。反射機制呼叫方法程式碼示例如下：
1 public class InvokeTester { 2 3 public static int add(int a, int b){ 4 return a + b; 5 } 6 7 public static String echo(String str){ 8 return "hello "+str; 9 } 10 11 12 public static void main(String[] args) throws Exception { 13 // InvokeTester invoke = new InvokeTester(); 14 // System.out.println(invoke.add(1, 2)); 15 // System.out.println(invoke.echo("tom")); 16 17 18 //用反射機制呼叫，首先獲得類的Class物件 19 Class<?> classType = InvokeTester.class; 20 21 //通過Class物件獲得一個InvokeTester類的例項 22 Object invoke = classType.newInstance(); 23 24 //獲得add(int a, int b)方法的Method物件，getMethod方法的引數為方法名和方法引數型別的Class物件的陣列 25 Method addMethod = classType.getMethod("add", int.class, int.class); 26 27 //通過Method類的invoke方法，呼叫invoke物件的add方法 28 Object result = addMethod.invoke(invoke, 1, 2); 29 30 System.out.println(result); 31 32 Method echoMethod = classType.getMethod("echo", String.class); 33 34 Object result2 = echoMethod.invoke(invoke, "Tom"); 35 36 System.out.println(result2); 37 38 } 39 }
7、用反射機制呼叫類的私有方法
我們知道正常情況下一個類的私有方法只允許這個類本身來呼叫，但使用反射機制能打破這種訪問限制，讓其他的類也能呼叫這個類的私有的方法。這種場景在實際開發中很少用到，Java也不提倡這種用法。程式碼示例如下：
public class Private { //定義一個私有方法 private String sayHello(String name){ return "hello, "+name; } } public class PrivateTest { public static void main(String[] args) throws Exception { //呼叫Private類的私有方法 Private p = new Private(); Class<?> classType = p.getClass(); Method method = classType.getDeclaredMethod("sayHello", String.class); method.setAccessible(true);//取消Java訪問檢查,如果不設定此項則會報錯 String str = (String)method.invoke(p, "Tracy"); System.out.println(str);//輸出：hello, Tracy } }
Method、Field、Constructor類有一個共同的父類AccessibleObject類，它提供了將反射的物件標記為在使用時取消預設Java語言訪問控制檢查的能力。在上面的程式碼中，我們在反射物件Method中設定accessible標誌，它允許程式以某種通常禁止的方式來操作物件。
8、用反射機制操作類的私有變數
與前面呼叫類的私有方法類似，通過反射我們還能操作類的私有變數，程式碼示例如下：
1 public class Private2 { 2 //定義私有變數 3 private String name = "zhangsan"; 4 5 public String getName(){ 6 return name; 7 } 8 } 9 10 11 public class PrivateTest2 { 12 13 public static void main(String[] args) throws Exception { 14 //改變Private2類的私有變數的值 15 Private2 p = new Private2(); 16 17 Class<?> classType = p.getClass(); 18 19 Field field = classType.getDeclaredField("name"); 20 21 field.setAccessible(true);//取消預設java訪問控制檢查，Field類的父類AccessibleObject類提供的方法 22 23 field.set(p, "lisi");//Field類的set(Object obj, Object value)方法將指定物件上此Field物件表示的欄位設定為指定的新值 24 25 System.out.println(p.getName());//輸出：lisi 26 27 } 28 29 }
以上這些內容，我介紹了Java反射機制的中涉及的主要的幾個類以及這些類的基本用法，這些類中還有很多的方法，大家可以通過檢視API進行了解，用法都很簡單。Java反射機制在很多框架的底層實現中有用到，還有一種很重要的設計模式也用到了反射，那就是代理模式中的動態代理，瞭解了動態代理模式的思想對我們研究框架有很大幫助，我會在後面的部落格中介紹這些內容，歡迎大家共同探討。