學習Spring必學的Java基礎知識(1)----反射

Java語言允許通過程序化的方式間接對Class進行操作，Class文件由類裝載器裝載後，在JVM中將形成一份描述Class結構的元信息對象，通過該元信息對象可以獲知Class的結構信息：如構造函數、屬性和方法等。Java允許用戶藉由這個Class相關的元信息對象間接調用Class對象的功能，這就爲使用程序化方式操作Class對象開闢了途徑。

簡單實例

我們將從一個簡單例子開始探訪Java反射機制的征程，下面的Car類擁有兩個構造函數、兩個方法以及三個屬性，如代碼清單3-9所示：

代碼清單3-9 Car

package com.baobaotao.reflect;
public class Car {
	private String brand;
	private String color;
	private int maxSpeed;
    
     //①默認構造函數
	public Car(){}
     
     //②帶參構造函數
	public Car(String brand,String color,int maxSpeed){ 
		this.brand = brand;
		this.color = color;
		this.maxSpeed = maxSpeed;
	}

     //③未帶參的方法
	public void introduce() { 
       System.out.println("brand:"+brand+";color:"+color+";maxSpeed:" +maxSpeed);
	}
     //省略參數的getter/Setter方法
     …
}

一般情況下，我們會使用如下的代碼創建Car的實例： 

Car car = new Car();
car.setBrand("紅旗CA72");

或者：

Car car = new Car("紅旗CA72","黑色");

以上兩種方法都採用傳統方式的直接調用目標類的方法，下面我們通過Java反射機制以一種更加通用的方式間接地操作目標類：

代碼清單3-10 ReflectTest

package com.baobaotao. reflect;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Method;
public class ReflectTest {
	public static Car  initByDefaultConst() throws Throwable
	{
		//①通過類裝載器獲取Car類對象
		ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader(); 
		Class clazz = loader.loadClass("com.baobaotao.reflect.Car"); 
		
          //②獲取類的默認構造器對象並通過它實例化Car
		Constructor cons = clazz.getDeclaredConstructor((Class[])null); 
		Car car = (Car)cons.newInstance();
		
         
          //③通過反射方法設置屬性
		Method setBrand = clazz.getMethod("setBrand",String.class);	       
		setBrand.invoke(car,"紅旗CA72");		
		Method setColor = clazz.getMethod("setColor",String.class);
		setColor.invoke(car,"黑色");		
		Method setMaxSpeed = clazz.getMethod("setMaxSpeed",int.class);
		setMaxSpeed.invoke(car,200);		
		return car;
	}

	public static void main(String[] args) throws Throwable {
		Car car = initByDefaultConst();
		car.introduce();
	}
}

運行以上程序，在控制檯上將打印出以下信息： 

引用

brand:紅旗CA72;color:黑色;maxSpeed:200

這說明我們完全可以通過編程方式調用Class的各項功能，這和直接通過構造函數和方法調用類功能的效果是一致的，只不過前者是間接調用，後者是直接調用罷了。

在ReflectTest中，使用了幾個重要的反射類，分別是ClassLoader、Class、Constructor和Method，通過這些反射類就可以間接調用目標Class的各項功能了。在①處，我們獲取當前線程的ClassLoader，然後通過指定的全限定類“com.baobaotao.beans.Car”裝載Car類對應的反射實例。在②處，我們通過Car的反射類對象獲取Car的構造函數對象cons，通過構造函數對象的newInstrance()方法實例化Car對象，其效果等同於new Car()。在③處，我們又通過Car的反射類對象的getMethod（String methodName,Class paramClass）獲取屬性的Setter方法對象，第一個參數是目標Class的方法名；第二個參數是方法入參的對象類型。獲取方法反射對象後，即可通過invoke（Object obj,Object param）方法調用目標類的方法，該方法的第一個參數是操作的目標類對象實例；第二個參數是目標方法的入參。

在代碼清單3 10中，粗體所示部分的信息即是通過反射方法操控目標類的元信息，如果我們將這些信息以一個配置文件的方式提供，就可以使用Java語言的反射功能編寫一段通用的代碼對類似於Car的類進行實例化及功能調用操作了。

類裝載器ClassLoader

類裝載器工作機制

類裝載器就是尋找類的節碼文件並構造出類在JVM內部表示對象的組件。在Java中，類裝載器把一個類裝入JVM中，要經過以下步驟：

[1.]裝載：查找和導入Class文件；
[2.]鏈接：執行校驗、準備和解析步驟，其中解析步驟是可以選擇的：
    [2.1]校驗：檢查載入Class文件數據的正確性；
    [2.2]準備：給類的靜態變量分配存儲空間；
    [2.3]解析：將符號引用轉成直接引用；
[3.]初始化：對類的靜態變量、靜態代碼塊執行初始化工作。

類裝載工作由ClassLoader及其子類負責，ClassLoader是一個重要的Java運行時系統組件，它負責在運行時查找和裝入Class字節碼文件。JVM在運行時會產生三個ClassLoader：根裝載器、ExtClassLoader（擴展類裝載器）和AppClassLoader（系統類裝載器）。其中，根裝載器不是ClassLoader的子類，它使用C++編寫，因此我們在Java中看不到它，根裝載器負責裝載JRE的核心類庫，如JRE目標下的rt.jar、charsets.jar等。ExtClassLoader和AppClassLoader都是ClassLoader的子類。其中ExtClassLoader負責裝載JRE擴展目錄ext中的JAR類包；AppClassLoader負責裝載Classpath路徑下的類包。

這三個類裝載器之間存在父子層級關係，即根裝載器是ExtClassLoader的父裝載器，ExtClassLoader是AppClassLoader的父裝載器。默認情況下，使用AppClassLoader裝載應用程序的類，我們可以做一個實驗：

代碼清單3-11 ClassLoaderTest

public class ClassLoaderTest {
	public static void main(String[] args) {
		ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
		System.out.println("current loader:"+loader);
		System.out.println("parent loader:"+loader.getParent());
		System.out.println("grandparent loader:"+loader.getParent(). getParent());
	}
}

運行以上代碼，在控制檯上將打出以下信息：

引用

current loader:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@131f71a
parent loader:sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@15601ea
//①根裝載器在Java中訪問不到，所以返回null
grandparent loader:null

通過以上的輸出信息，我們知道當前的ClassLoader是AppClassLoader，父ClassLoader是ExtClassLoader，祖父ClassLoader是根類裝載器，因爲在Java中無法獲得它的句柄，所以僅返回null。

JVM裝載類時使用“全盤負責委託機制”，“全盤負責”是指當一個ClassLoader裝載一個類的時，除非顯式地使用另一個ClassLoader，該類所依賴及引用的類也由這個ClassLoader載入；“委託機制”是指先委託父裝載器尋找目標類，只有在找不到的情況下才從自己的類路徑中查找並裝載目標類。這一點是從安全角度考慮的，試想如果有人編寫了一個惡意的基礎類（如java.lang.String）並裝載到JVM中將會引起多麼可怕的後果。但是由於有了“全盤負責委託機制”，java.lang.String永遠是由根裝載器來裝載的，這樣就避免了上述事件的發生。

ClassLoader重要方法

在Java中，ClassLoader是一個抽象類，位於java.lang包中。下面對該類的一些重要接口方法進行介紹：

Class loadClass(String name) name參數指定類裝載器需要裝載類的名字，必須使用全限定類名，如com.baobaotao. beans.Car。該方法有一個重載方法loadClass(String name ,boolean resolve)，resolve參數告訴類裝載器是否需要解析該類。在初始化類之前，應考慮進行類解析的工作，但並不是所有的類都需要解析，如果JVM只需要知道該類是否存在或找出該類的超類，那麼就不需要進行解析。
Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) 將類文件的字節數組轉換成JVM內部的java.lang.Class對象。字節數組可以從本地文件系統、遠程網絡獲取。name爲字節數組對應的全限定類名。
Class findSystemClass(String name) 從本地文件系統載入Class文件，如果本地文件系統不存在該Class文件，將拋出ClassNotFoundException異常。該方法是JVM默認使用的裝載機制。
Class findLoadedClass(String name) 調用該方法來查看ClassLoader是否已裝入某個類。如果已裝入，那麼返回java.lang.Class對象，否則返回null。如果強行裝載已存在的類，將會拋出鏈接錯誤。
ClassLoader getParent() 獲取類裝載器的父裝載器，除根裝載器外，所有的類裝載器都有且僅有一個父裝載器，ExtClassLoader的父裝載器是根裝載器，因爲根裝載器非Java編寫，所以無法獲得，將返回null。

除JVM默認的三個ClassLoader以外，可以編寫自己的第三方類裝載器，以實現一些特殊的需求。類文件被裝載並解析後，在JVM內將擁有一個對應的java.lang.Class類描述對象，該類的實例都擁有指向這個類描述對象的引用，而類描述對象又擁有指向關聯ClassLoader的引用，如圖3-4所示。

每一個類在JVM中都擁有一個對應的java.lang.Class對象，它提供了類結構信息的描述。數組、枚舉、註解以及基本Java類型（如int、double等），甚至void都擁有對應的Class對象。Class沒有public的構造方法。Class對象是在裝載類時由JVM通過調用類裝載器中的defineClass()方法自動構造的。

Java反射機制

Class反射對象描述類語義結構，可以從Class對象中獲取構造函數、成員變量、方法類等類元素的反射對象，並以編程的方式通過這些反射對象對目標類對象進行操作。這些反射對象類在java.reflect包中定義，下面是最主要的三個反射類：

 Constructor：類的構造函數反射類，通過Class#getConstructors()方法可以獲得類的所有構造函數反射對象數組。在JDK5.0中，還可以通過getConstructor(Class... parameterTypes)獲取擁有特定入參的構造函數反射對象。Constructor的一個主要方法是newInstance(Object[] initargs)，通過該方法可以創建一個對象類的實例，相當於new關鍵字。在JDK5.0中該方法演化爲更爲靈活的形式：newInstance (Object... initargs)。
 Method：類方法的反射類，通過Class#getDeclaredMethods()方法可以獲取類的所有方法反射類對象數組Method[]。在JDK5.0中可以通過getDeclaredMethod(String name, Class... parameterTypes)獲取特定簽名的方法，name爲方法名；Class...爲方法入參類型列表。Method最主要的方法是invoke(Object obj, Object[] args)，obj表示操作的目標對象；args爲方法入參，代碼清單3 10③處演示了這個反射類的使用方法。在JDK 5.0中，該方法的形式調整爲invoke(Object obj, Object... args)。此外，Method還有很多用於獲取類方法更多信息的方法：      1）Class getReturnType()：獲取方法的返回值類型；
      2）Class[] getParameterTypes()：獲取方法的入參類型數組；
      3）Class[] getExceptionTypes()：獲取方法的異常類型數組；
      4）Annotation[][] getParameterAnnotations()：獲取方法的註解信息，JDK 5.0中的新方法；
 Field：類的成員變量的反射類，通過Class#getDeclaredFields()方法可以獲取類的成員變量反射對象數組，通過Class#getDeclaredField(String name)則可獲取某個特定名稱的成員變量反射對象。Field類最主要的方法是set(Object obj, Object value)，obj表示操作的目標對象，通過value爲目標對象的成員變量設置值。如果成員變量爲基礎類型，用戶可以使用Field類中提供的帶類型名的值設置方法，如setBoolean(Object obj, boolean value)、setInt(Object obj, int value)等。

此外，Java還爲包提供了Package反射類，在JDK 5.0中還爲註解提供了AnnotatedElement反射類。總之，Java的反射體系保證了可以通過程序化的方式訪問目標類中所有的元素，對於private或protected的成員變量和方法，只要JVM的安全機制允許，也可以通過反射進行調用，請看下面的例子：

代碼清單3-12 PrivateCarReflect

package com.baobaotao.reflect;
public class PrivateCar {
       //①private成員變量：使用傳統的類實例調用方式，只能在本類中訪問
   private String color; 
        //②protected方法：使用傳統的類實例調用方式，只能在子類和本包中訪問
   protected void drive(){
	   
System.out.println("drive private car! the color is:"+color);
   }
}

color變量和drive()方法都是私有的，通過類實例變量無法在外部訪問私有變量、調用私有方法的，但通過反射機制卻可以繞過這個限制：

代碼清單3-13 PrivateCarReflect

…
public class PrivateCarReflect {
   public static void main(String[] args) throws Throwable{
	   ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
	   Class clazz = loader.loadClass("com.baobaotao.reflect.PrivateCar");
	   PrivateCar pcar = (PrivateCar)clazz.newInstance();
	   
	   Field colorFld = clazz.getDeclaredField("color");
        //①取消Java語言訪問檢查以訪問private變量
	   colorFld.setAccessible(true); 
	   colorFld.set(pcar,"紅色");
	   
	   Method driveMtd = clazz.getDeclaredMethod("drive",(Class[])null);
        //Method driveMtd = clazz.getDeclaredMethod("drive"); JDK5.0下使用
       
        //②取消Java語言訪問檢查以訪問protected方法
	   driveMtd.setAccessible(true); 
        driveMtd.invoke(pcar,(Object[])null);
  }
}

運行該類，打印出以下信息：

引用

drive private car! the color is:紅色

在訪問private、protected成員變量和方法時必須通過setAccessible(boolean access)方法取消Java語言檢查，否則將拋出IllegalAccessException。如果JVM的安全管理器設置了相應的安全機制，調用該方法將拋出SecurityException。

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