Java核心知识体系5：反射机制详解

Java核心知识体系1：泛型机制详解

Java核心知识体系2：注解机制详解

Java核心知识体系3：异常机制详解

Java核心知识体系4：AOP原理和切面应用

1 介绍

无论是那种语言体系，反射都是必不可少的一个技术特征。从Java体系来说，很多常用的技术框架或多或少都使用到了反射技术，比如Spring、MyBatis、RocketMQ、FastJson 等等。反射技术强大而必要，在大多数框架中起到举足轻重的作用。所以，反射也是Java必不可少的核心技术之一。

接下来我们来看看反射的一些技术要点：

1. 反射的概念（即什么是反射）？
2. 反射的作用（它帮我们解决了哪些问题）？
3. 反射的实现原理？
4. 如何使用反射？
   
   下面我就针对以上的疑问，一一来讲解。

1.1 反射是什么？

Java反射（Reflection）是Java语言的一个核心特性，它允许运行中的Java代码对自身进行自我检查，甚至修改自身的组件。具体来说，反射机制提供了在运行状态中，对于任意一个类，都能够了解这个类的所有属性和方法；对于任意一个对象，都能够调用它的任意一个方法和属性。这种动态获取的信息以及动态调用对象的方法在Java中就叫做反射。

一句话总结：反射就是在运行时才具体知晓要操作的类是什么结构，并在运行时获取类的完整构造，并调用对应的方法、属性等。

Java的反射主要包括以下三个部分：

• 类的加载：Java的类在需要使用时才会被加载到JVM中。这个过程是由类加载器（ClassLoader）完成的。类加载器首先检查这个类是否已经被加载过，如果还没有加载，那么就会从磁盘上加载类的字节码并创建一个Class对象。
• 获取类的信息：当一个对象被创建后，我们可以使用反射来获取这个对象的Class对象。通过这个Class对象，我们可以获取到这个类的所有属性和方法。
• 方法的调用：通过反射，我们可以动态的调用一个对象的方法。即使这个方法是一个私有的方法，也能够通过反射来调用。

1.2 为什么要用反射？

Java Reflection功能非常强大，并且非常有用，比如：

• 获取任意类的名称、package信息、所有属性、方法、注解、类型、类加载器等
• 获取任意对象的属性，并且能改变对象的属性
• 调用任意对象的方法
• 判断任意一个对象所属的类
• 实例化任意一个类的对象
• 通过反射我们可以实现动态装配，降低代码的耦合度，实现动态代理等。

具体的应用场景：

• 框架设计：许多框架，如Spring，Hibernate等，都大量使用了反射来实现对象的自动装配，动态代理等功能。
• 单元测试：单元测试框架（如JUnit）会使用反射来调用被注解的方法。
• 插件化：为了实现插件化，可以通过反射加载不同的插件。
• 对象序列化与反序列化：在对象进行序列化和反序列化的时候，会使用反射获取到对象的所有属性和方法。

2 反射的使用

在Java中，Class类与java.lang.reflect类库配合对反射技术进行了完整的支持。在反射的Package中，我们经常使用功能类如下：

• Constructor类表示的是Class 对象所表示的类的构造方法，利用它可以在运行时动态创建对象
• Field类表示Class对象所表示的类的成员变量，通过它可以在运行时动态修改成员变量的属性值(包含private)
• Method类表示Class对象所表示的类的成员方法，通过它可以动态调用对象的方法(包含private)

下面将对这几个类进行详细介绍。

2.1 反射创建类对象

一般情况下我们通过反射创建类对象主要有两种方式：

• 通过 Class 对象的 newInstance() 方法

• 通过 Constructor 对象的 newInstance() 方法

• 通过 Class 对象的 newInstance() 方法实现

Class clz = Class.forName("com.ad.reflection.TestRefle");
TestRefle tr= (TestRefle)clz.newInstance();

• 通过 Constructor 对象的 newInstance() 方法实现

Class clz = Class.forName("com.ad.reflection.TestRefle");
Constructor constructor = clz.getConstructor();
TestRefle tr= (TestRefle)constructor.newInstance();

这边需要注意，通过 Constructor 对象创建类对象可以选择特定构造方法，而通过 Class 对象则只能使用默认的无参数构造方法。

下面的代码演示的是通过 Constructor 调用有参构造方法进行了类对象初始化：

Class clz = Class.forName("com.ad.reflection.TestRefle");
Constructor constructor = clz.getConstructor(String.class);
TestRefle tr= (TestRefle)constructor.newInstance("提供一个String参数");

接下来我们继续，通过具体的API获取详细的类信息：类信息、方法信息、属性信息等。

2.2 获取Class类对象

 // 获取Class对象的三种方式
 根据类名: Class mailClass = MailInfo.class;
 根据对象: Class mailClass = new MailInfo().getClass();
 根据全限定类名: Class mailClass = Class.forName("com.ad.MailInfo");

 // 根据对象获取信息和实例对象
 获取全限定类名: mailClass.getName();
 获取类名: mailClass.getSimpleName();
 实例化: userClass.getDeclaredConstructor().newInstance();

更加详细Class类获取参考如下：

方法	用途
forName()	(1)获取Class对象的一个引用，但引用的类还没有加载(该类的第一个对象没有生成)就加载了这个类。 (2)为了产生Class引用，forName()立即就进行了初始化。
Object-getClass()	获取Class对象的一个引用，返回表示该对象的实际类型的Class引用。
getName()	取全限定的类名(包括包名)，即类的完整名字。 getSimpleName() 获取类名(不包括包名)
getCanonicalName()	获取全限定的类名(包括包名)
isInterface()	判断Class对象是否是表示一个接口
getInterfaces()	返回Class对象数组，表示Class对象所引用的类所实现的所有接口。
getSupercalss()	返回Class对象，表示Class对象所引用的类所继承的直接基类。应用该方法可在运行时发现一个对象完整的继承结构。
newInstance()	返回一个Oject对象，是实现“虚拟构造器”的一种途径。使用该方法创建的类，必须带有无参的构造器。

2.3 获取类的成员变量的信息

Field[] fields = _class.getDeclaredFields();

更加详细成员变量获取参考如下：

方法	用途
getField(String name)	获得某个公有的属性对象
getFields()	获取所有的公有的属性对象
getDeclaredField(String name)	获得某个属性对象（public和非public）
getDeclaredFields()	获得所有属性对象（public和非public）

2.4 获得类方法

Method[] methods = _class.getDeclaredMethods();

更加详细方法获取参考如下：

方法	用途
getMethod(String name, Class...<?> paramerterTypes)	获得某个公有的方法对象
getMethods()	获取所有的公有的方法对象
getDeclaredMethod(String name, Class...<?> paramerterTypes)	获得对应类下某个方法（public和非public）
getDeclaredMethods()	获得对应类下所有方法（public和非public）

2.5 获得构造函数

Constructor[] constructors = _class.getDeclaredConstructors();

更加详细构造函数获取参考如下：

方法	用途
getConstructor(Class...<?> paramerterTypes)	获得该类中与参数类型匹配的公有构造方法
getConstructors()	获取该类的所有公有构造方法
getDeclaredConstructor(Class...<?> paramerterTypes)	获得该类中与参数类型匹配的构造方法
getDeclaredConstructors()	获取该类的所有构造方法

这样通过反射就可以做在运行时获取类的完整构造，并获得类信息了。

类名	用途
Class类	代表类的实体，在运行的Java应用程序中表示类和接口
Field类	代表类的成员变量（即类的属性）
Method类	代表类的方法
Constructor类	代表类的构造函数

通过上面的几个示例我们基本了解了反射的使用，但这仅仅是使用，我们还需深入理解反射背后的底层实现原理。

3 反射原理分析

3.1 反射的调用流程

1、编写完Java项目之后，java文件都会被编译成一个.class文件

2、这些class文件在程序运行时会被ClassLoader加载到JVM中，当一个类被加载以后，JVM就会在内存中自动产生一个Class对象。

3、通过Class对象获取 Field（属性）、Method（方法）、Construcor（构造函数）

我们平时通过new的形式创建对象，本质上就是通过Class来创建个新对象



通过上面的流程我们可以看出反射的优势：

• 动态装配

我们的程序在运行时，可能不一定会用到所有我们编写和构建的类，这样避免启动时间太长并且浪费大量无用的机器资源。

取而代之的是动态的加载一些类，这些类可能之前用不到所以不用加载到jvm，而是在运行时根据需要才加载。

• 降低耦合
  
  如果你在使用new时明确的指定类名，那这就是典型的硬编码实现，而在使用反射的时候，可以只传入类名参数，就可以生成对象，降低了耦合度，使得程序更具灵性。

完整的调用流程，图片来自网上，比较模糊，后续再补一个

3.2 反射的应用场景

• 框架设计：许多框架，如Spring，Hibernate，mybatis，dubbo，rocketmq等，都大量使用了反射来实现对象的自动装配，动态代理等功能。
• 单元测试：单元测试框架（如JUnit）会使用反射来调用被注解的方法。
• 插件化：为了实现插件化，可以通过反射加载不同的插件。
• 对象序列化与反序列化：在对象进行序列化和反序列化的时候，会使用反射获取到对象的所有属性和方法。
• 动态配置、动态代理：通过反射去读取配置，以及代理请求

4 反射经典案例解析

以下案例来自百度文心一言大模型自动生成，已调试通过。

import java.lang.reflect.Method;  

public class ReflectionExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 获取目标类的Class对象
            Class<?> targetClass = Class.forName("java.util.ArrayList");  

            // 获取目标类的所有公共方法
            Method[] methods = targetClass.getMethods();  

            // 遍历所有方法并打印方法名
            for (Method method : methods) {
                System.out.println(method.getName());
            }  

            // 获取特定方法，比如添加元素的add方法
            Method addMethod = targetClass.getMethod("add", Object.class);  

            // 创建目标类的实例对象
            Object targetObject = targetClass.newInstance();  

            // 调用add方法添加元素
            addMethod.invoke(targetObject, "Hello, World!");  

            // 获取目标类的所有属性（字段）并打印属性名
            Field[] fields = targetClass.getDeclaredFields();
            for (Field field : fields) {
                System.out.println(field.getName());
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这个案例展示了如何使用反射来获取目标类的Class对象，获取并打印目标类的所有公共方法，获取特定方法，创建目标类的实例对象，调用目标类的方法，以及获取并打印目标类的所有属性（字段）。

总结

无论是那种语言体系（C#、Java等等），反射都是必不可少的一个技术特征。而从Java体系来说，很多常用的技术框架或多或少都使用到了反射技术，比如Spring、MyBatis、RocketMQ、FastJson 等等。

学习好Java 反射技术能帮助你更好的理解底层调用的原理，也有助于设计更加 轻巧、高内聚、低耦合 的业务框架。