Java SE基础巩固（七）：反射

我第一次听说反射这个概念是在《Java编程思想》中看到的，说起这书我有些忧伤，当时自学Java，没有前辈指导，自己摸着石子过河，随便网上搜一下入门书籍，竟然清一色的推荐《Java编程思想》（当时大概2016年初，也许只是我当时知识辨别能力比较低的原因），现在看来，该书确实不适合入门，比较适合有一定开发经验的开发者。有点扯远了，拉回来，拉回来。

1 RTTI和反射

在《Java编程思想》中提到反射的时候，作者将其看做是Java的RTTI，RTTI即Run Time Type Infomation（运行时类型信息），但实际上RTTI可是说是特指C++的RTTI，Java是没有这个概念的，也许只是作者考虑到C++读者比较多的原因吧。

1.1 RTTI

RTTI是C++语言的核心机制，它允许程序在运行时动态的决定各个对象的类型，例如经常使用到的dynamic_cast，该语法可以将某个对象在运行时动态的转换成其他任意类型，但之后是否会发生错误，就不归它管了。

1.2 反射

反射也不是Java语言独有的概念，而是计算机科学的通用概念，在维基百科上有如下解释：

在 计算机科学 中， 反射 是指 计算机程序 在运行时（Run time）可以访问、检测和修改它本身状态或行为的一种能力。用比喻来说，反射就是程序在运行的时候能够“观察”并且修改自己的行为。

要注意术语“反射”和“内省“type introspection）的关系。内省（或称“自省”）机制仅指程序在运行时对自身信息（称为元数据）的检测；反射机制不仅包括要能在运行时对程序自身信息进行检测，还要求程序能进一步根据这些信息改变程序状态或结构。

从上面描述来看，反射和RTTI确实很像，但我更倾向于将RTTI认为是反射的子集，反射包含的范围应该更广，不仅可以动态的转换类型，还可以在运行时对对象的行为（方法），状态（字段）做访问、修改等操作。

之所以要谈到RTTI，是因为如果仅仅通过《Java编程思想》了解反射，可能会对作者的意思理解不深刻，会认为反射等同于C++ 的RTTI。（我当初就是这样）

2 Java反射

具体到Java中的反射，可以这样解释：Java反射机制让我们可以在运行时访问任何一个类的元信息，包括其接口，父类，字段，方法等。JDK还提供了API让我们可以方便使用反射机制，这些API都在java.lang.reflect包下，这些API包括Method，Field，Array等。不夸张的说，熟悉反射真的可以在Java世界里“为所欲为”，很多框架非常依赖反射技术，例如Spring，MyBaties等，Spring会在运行时获取类、方法、字段上的注解信息，然后对其做对应的处理。

2.1 类对象

类对象即Class对象，所有的类都有一个Class对象引用，该引用指向方法区中对应类的类信息，该引用在虚拟机规范中是有规定的，所以无论哪种虚拟机实现都一定会有这么一个Class对象引用，甚至基本类型都会有。例如：

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        //直接使用类型名.class的方式获取
        Class<?> intClass = int.class;
        Class<?> userClass = User.class;
        User user = new User();
        //使用对象引用.getClass()的方式获取
        Class<?> userClass2 = user.getClass();
        //对于基本类型，名字就是类型名，例如int类型的name就是int
        System.out.println(intClass.getName());
        //对于类来说，名字是全限定类名
        System.out.println(userClass.getName());
        System.out.println(userClass2.getName());

        //simpleName是将包的信息略掉，只有类名
        System.out.println(userClass.getSimpleName());
    }
}
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上面代码用两种方式获取类对象，一种是直接使用类型名.class，一种是使用对象引用调用getClass()方法，基本类型只能使用第一种方法，引用类型两种方法都可以使用，拿到类对象的引用之后就可以“为所欲为”了！可以获取到该类有几个方法，分别是什么方法，其方法签名是怎样的等等信息，下面的代码演示了反射的简单使用：

2.2 对字段进行操作

Field类有各种对字段进行操作的API，而获取Field对象则需要先获取类对象，然后通过调用getDeclaredFields()或者getFields()来获取Field数组，其中getDeclaredFields()方法会包括私有字段，而getFields()不包括，还可以通过调用getField(String)或者getDeclaredField(String)方法来获取指定名字的字段，如果找不到就会抛出NoSuchFieldException异常。下面的代码演示了如何操作字段：

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, NoSuchFieldException {
        User user = new User();
        Class<?> userClass = user.getClass();

        //获取字段
        Field[] fields = userClass.getDeclaredFields();
        for (Field field : fields) {
            System.out.println("field Type is " + field.getType().getName() + " ---- field name is " + field.getName());
        }
        System.out.println("before set field value : " + user.getId());
        Field field = userClass.getDeclaredField("id");
        field.setAccessible(true);
        field.set(user, 314L);
        System.out.println("after set filed value : " + user.getId());
    }
}
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代码中先获取了字段数组，该数组包含了该类声明的所有字段，通过Field对象，我们可以获取对象名字，类型，甚至该字段在某个对象中的值。之后通过getDeclaredField("id")获取了名为id的的字段，并设置其可访问性为true，如果该字段是私有字段，不设置访问性为true的话，将无法访问该字段，紧接着使用set方法设置该字段的值，set方法有两个参数，第一个参数是要作用的对象实例，第二个参数是字段的值，下面是该程序运行的结果：

field Type is java.lang.Long ---- field name is id
field Type is java.lang.String ---- field name is username
field Type is java.lang.String ---- field name is password
before set field value : null
after set filed value : 314
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除此之外，还可以获取字段的注解、其父类等信息，Spring 框架的IOC容器有自动装配的功能，可以自动对字段进行赋值，该功能的实现原理就是依赖反射，运行时获取字段的类型信息，注解信息（用来判断是否要进行自动装配），然后在容器中查找该类的实例，查到就直接对其赋值，查不到就抛出异常。

2.3 对方法进行操作

Method类也有很多对方法进行操作的API，不过大多数都是获取方法的信息，例如方法的返回值，参数列表，参数个数，方法名等，几乎没有修改方法的API。其API的命名和Filed的极为相似，可以说是用的同一种命名模式。下面的代码演示了如何对方法进行操作：

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, NoSuchFieldException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException {
        User user = new User();
        Class<?> userClass = user.getClass();

        //获取方法
        Method[] methods = userClass.getDeclaredMethods();
        for (Method method : methods) {
            System.out.println("method return type is " + method.getReturnType());
            System.out.println("method name is " + method.getName());
            System.out.println("method params count " + method.getParameterCount());
            Parameter[] parameters = method.getParameters();
            for (Parameter parameter : parameters) {
                System.out.println("param type is " + parameter.getType());
                System.out.println("param name is " + parameter.getName());
            }
            System.out.println("----------------------------------------");
        }
        Method testMethod1 = userClass.getMethod("testMethod1", int.class, int.class);
        testMethod1.setAccessible(true);
        testMethod1.invoke(user, 1,1);  //调用该方法

    }
}
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和Filed一样，先通过getDeclaredMethods()获取所有方法，每个方法都是一个Method对象实例，这只是JDK API对其进行的抽象，实际上在虚拟机中并没有那么简单，然后通过各种API来获取信息，在代码中获取了方法的返回值，名字，参数各种以及其参数列表，同时遍历了其参数列表。最后通过getMethod()指定相关参数获取了指定的方法对象实例，getMethod()的第一个参数是方法名，第二个参数是几个可变参数，表示参数的类对象，我定义的testMethod1只有两个int参数，所以这里传入了两个int.class对象，如果没有找到对应的方法，就抛出NoSuchMethodException异常。

随后将其设置成可访问的，并使用invoke调用该方法，invoke的第一个参数是要作用的对象实例，第二个参数也是一个可变参数，需要传入的是参数的值。最后将程序运行，大致可以看到如下输出：

....
method type is void
method name is setPassword
method params count 1
param type is class java.lang.String
param name is arg0
----------------------------------------
method type is void
method name is testMethod1
method params count 2
param type is int
param name is arg0
param type is int
param name is arg1
----------------------------------------
....
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其实还有更多，我这里只是截取了部分。输出大部分内容符合我们预期，但参数名输出的东西是什么鬼？arg0、arg1是个什么东西？

我们一直在说反射是运行时的一种机制，即操作的对象是编译后的字节码，java8之前方法的参数名在编译之后会被类似arg0，arg1代替，java8之后提供了一个-parameters 编译选项，该选择默认是关闭的，指定之后才会打开，打开情况下，编译后的字节码就会使用源码的参数名称了。那在此之前，有什么办法运行时获取字段名称呢？答案是使用ASM等字节码技术，关于该技术的使用，本文不会涉及，有兴趣的朋友可以到网上搜索相关资料。

3 小结

反射也是一项博大精深的技术，本文仅仅是简单的介绍了反射的简单使用，关于其更多的使用其实和操作字段、方法差不多，一通百通即可，实在不行再看看JDK文档就肯定会了。关于其原理，本文没涉及，原因是如果读者对虚拟机有一定了解的话，不难猜到其原理，其实这些什么字段、方法、注解、接口等信息在类加载完成之后会被存储在方法区里，同时还留了一个Class对象的引用用于访问这些信息。

很多框架都或多或少的使用到反射，实在是因为反射非常适合做这种“幕后”的事。最后，学好反射真的可以在Java世界里“为所欲为”。