谈谈Java反射：从入门到实践，再到原理

前言

反射是Java底层框架的灵魂技术，学习反射非常有必要，本文将从入门概念，到实践，再到原理讲解反射，希望对大家有帮助。

反射理解

官方解析

Reflection is commonly used by programs which require the ability to examine or
modify the runtime behavior of applications running in the Java virtual machine.
This is a relatively advanced feature and should be used only by developers who
have a strong grasp of the fundamentals of the language. With that caveat in
mind, reflection is a powerful technique and can enable applications to perform
operations which would otherwise be impossible.

Java 的反射机制是指在运行状态中，对于任意一个类都能够知道这个类所有的属性和方法；并且对于任意一个对象，都能够调用它的任意一个方法；这种动态获取信息以及动态调用对象方法的功能成为Java语言的反射机制。

白话理解

正射

万物有阴必有阳，有正必有反。既然有反射，就必有“正射”。

那么正射是什么呢？

我们在编写代码时，当需要使用到某一个类的时候，都会先了解这个类是做什么的。然后实例化这个类，接着用实例化好的对象进行操作，这就是正射。

1 2	Student student = new Student(); student.doHomework("数学");

反射

反射就是，一开始并不知道我们要初始化的类对象是什么，自然也无法使用 new 关键字来创建对象了。

Class clazz = Class.forName("reflection.Student");
Method method = clazz.getMethod("doHomework", String.class);
Constructor constructor = clazz.getConstructor();
Object object = constructor.newInstance();
method.invoke(object, "语文");

正射与反射对比

以上两段代码，执行效果是一样的，如图

但是，其实现的过程还是有很大的差别的：

第一段代码在未运行前就已经知道了要运行的类是Student；
第二段代码则是到整个程序运行的时候，从字符串reflection.Student，才知道要操作的类是Student。

结论

反射就是在运行时才知道要操作的类是什么，并且可以在运行时获取类的完整构造，并调用对应的方法。

Class 对象理解

要理解Class对象，我们先来了解一下RTTI吧。
RTTI（Run-Time Type Identification）运行时类型识别，其作用是在运行时识别一个对象的类型和类的信息。

Java是如何让我们在运行时识别对象和类的信息的？主要有两种方式：
一种是传统的RRTI，它假定我们在编译期已知道了所有类型。
另一种是反射机制，它允许我们在运行时发现和使用类的信息。

每个类都有一个Class对象，每当编译一个新类就产生一个Class对象（更恰当地说，是被保存在一个同名的.class文件中）。比如创建一个Student类，那么，JVM就会创建一个Student对应Class类的Class对象，该Class对象保存了Student类相关的类型信息。

Class类的对象作用是运行时提供或获得某个对象的类型信息

反射的基本使用

获取 Class 类对象

获取反射中的Class对象有三种方法。

第一种，使用 Class.forName 静态方法。

1	Class class1 = Class.forName("reflection.TestReflection");

第二种，使用类的.class 方法

1	Class class2 = TestReflection.class;

第三种，使用实例对象的 getClass() 方法。

1 2	TestReflection testReflection = new TestReflection(); Class class3 = testReflection.getClass();

反射创造对象，获取方法，成员变量，构造器

本小节学习反射的基本API用法，如获取方法，成员变量等。

反射创造对象

通过反射创建类对象主要有两种方式：

实例代码:

//方式一
Class class1 = Class.forName("reflection.Student");
Student student = (Student) class1.newInstance();
System.out.println(student);

//方式二
Constructor constructor = class1.getConstructor();
Student student1 = (Student) constructor.newInstance();
System.out.println(student1);

运行结果：

反射获取类的构造器

看一个例子吧：

Class class1 = Class.forName("reflection.Student");
Constructor[] constructors = class1.getDeclaredConstructors();
for (int i = 0; i < constructors.length; i++) {
    System.out.println(constructors[i]);
 }

反射获取类的成员变量

看demo：

// student 一个私有属性age，一个公有属性email
public class Student {

    private Integer age;

    public String email;
}

public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException {
        Class class1 = Class.forName("reflection.Student");
        Field email = class1.getField("email");
        System.out.println(email);
        Field age = class1.getField("age");
        System.out.println(age);
    }
}

运行结果：

即getField(String name) 根据参数变量名，返回一个具体的具有public属性的成员变量，如果该变量不是public属性，则报异常。

反射获取类的方法

demo

public class Student {

    private void testPrivateMethod() {
        
    }
    public void testPublicMethod() {
        
    }
}

public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException {
        Class class1 = Class.forName("reflection.Student");

        Method[] methods = class1.getMethods();
        for (int i = 0; i < methods.length; i++) {
            System.out.println(methods[i]);
        }
    }
}

运行结果：

反射的实现原理

通过上一小节学习，我们已经知道反射的基本API用法了。接下来，跟着一个例子，学习反射方法的执行链路。

public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class clazz = Class.forName("reflection.TestReflection");
        Method method = clazz.getMethod("target", String.class);
        method.invoke(null, "666");
    }

    public static void target(String str) {
        //打印堆栈信息
        new Exception("#" +str).printStackTrace();
        System.out.println("invoke target method");
    }
}

堆栈信息反映出反射调用链路：

java.lang.Exception: #666
invoke target method
	at reflection.TestReflection.target(TestReflection.java:17)
	at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
	at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
	at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
	at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
	at reflection.TestReflection.main(TestReflection.java:11)

invoke方法执行时序图

我们跟着反射链路去看一下源码，先看Method的invoke方法：

public Object invoke(Object obj, Object... args)
    throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
       InvocationTargetException
{
    //校验权限
    if (!override) {
        if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
            Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
            checkAccess(caller, clazz, obj, modifiers);
        }
    }
    MethodAccessor ma = methodAccessor;             // read volatile
    if (ma == null) {
        ma = acquireMethodAccessor(); //获取MethodAccessor
    }
    //返回MethodAccessor.invoke
    return ma.invoke(obj, args);
}

由上可知道，Method 的 invoke 方法，其实是返回接口MethodAccessor的invoke方法。MethodAccessor接口有三个实现类，到底调用的是哪个类的 invoke 方法呢？

进入acquireMethodAccessor方法，可以看到MethodAccessor由ReflectionFactory 的 newMethodAccessor方法决定。

再进ReflectionFactory的newMethodAccessor方法，我们可以看到返回的是DelegatingMethodAccessorImpl对象，也就是说调用的是它的invoke方法。

再看DelegatingMethodAccessorImpl的invoke方法

DelegatingMethodAccessorImpl的invoke方法返回的是MethodAccessorImpl的invoke方法，而MethodAccessorImpl的invoke方法，由它的子类NativeMethodAccessorImpl重写，这时候返回的是本地方法invoke0，如下

因此，Method的invoke方法，是由本地方法invoke0决定的，再底层就是c++相关了，有兴趣的朋友可以继续往下研究。

反射的一些应用以及问题

反射应用

反射是Java框架的灵魂技术，很多框架都使用了反射技术，如spring，Mybatis，Hibernate等。

JDBC 的数据库的连接

在JDBC连接数据库中，一般包括加载驱动，获得数据库连接等步骤。而加载驱动，就是引入相关Jar包后，通过Class.forName() 即反射技术，加载数据库的驱动程序。

Spring 框架的使用

Spring 通过 XML 配置模式装载 Bean，也是反射的一个典型例子。

装载过程：

将程序内XML 配置文件加载入内存中
Java类解析xml里面的内容，得到相关字节码信息
使用反射机制，得到Class实例
动态配置实例的属性，使用

这样做当然是有好处的：

不用每次都去new实例了，并且可以修改配置文件，比较灵活。

反射存在的问题

性能问题

java反射的性能并不好，原因主要是编译器没法对反射相关的代码做优化。
有兴趣的朋友，可以看一下这个文章java-reflection-why-is-it-so-slow

安全问题

我们知道单例模式的设计过程中，会强调将构造器设计为私有，因为这样可以防止从外部构造对象。但是反射可以获取类中的域、方法、构造器，修改访问权限。所以这样并不一定是安全的。

看个例子吧，通过反射使用私有构造器实例化。

public class Student {
    private String name;
    private Student(String name) {
        System.out.println("我是私有构造器，我被实例化了");
        this.name = name;
    }
    public void doHomework(String subject) {
        System.out.println("我的名字是" + name);
        System.out.println("我在做"+subject+"作业");
    }
}
public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class clazz = Class.forName("reflection.Student");
        // 获取私有构造方法对象
        Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class);
        // true指示反射的对象在使用时应该取消Java语言访问检查。
        constructor.setAccessible(true);
        Student student = (Student) constructor.newInstance("jay@huaxiao");
        student.doHomework("数学");
    }
}