从头开始学Java——重新理解Java反射
什么是反射？
程序中一般的对象的类型都是在编译期就确定下来的，而 Java 反射机制可以动态地创建对象并调用其属性，这样的对象的类型在编译期是未知的。所以我们可以通过反射机制直接创建对象，即使这个对象的类型在编译期是未知的。
反射的核心是 JVM 在运行时才动态加载类或调用方法/访问属性，它不需要事先（写代码的时候或编译期）知道运行对象是谁。
Java 反射主要提供以下功能：
- 在运行时判断任意一个对象所属的类；
- 在运行时构造任意一个类的对象；
- 在运行时判断任意一个类所具有的成员变量和方法（通过反射甚至可以调用private方法）；
- 在运行时调用任意一个对象的方法
要想理解反射的原理，首先要了解什么是类型信息。Java让我们在运行时识别对象和类的信息，主要有2种方式：一种是传统的RTTI(Run-Time Type Identification)，它假定我们在编译时已经知道了所有的类型信息；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。
反射的基本运用
反射可以用于判断任意对象所属的类，获得 Class 对象，构造任意一个对象以及调用一个对象。这里我们介绍一下基本反射功能的使用和实现(反射相关的类一般都在 java.lang.relfect 包里)。
1、获得 Class 对象
方法有三种：
(1) 使用 Class 类的 forName 静态方法:
public static Class<?> forName(String className)
比如在 JDBC 开发中常用此方法加载数据库驱动:
Class.forName(driver);
(2)直接获取某一个对象的 class，比如:
Class<?> klass = int.class;
Class<?> classInt = Integer.TYPE;
(3)调用某个对象的 getClass() 方法，比如:
StringBuilder str = new StringBuilder("123");
Class<?> klass = str.getClass();
2、判断是否为某个类的实例
一般地，我们用 instanceof 关键字来判断是否为某个类的实例。同时我们也可以借助反射中 Class 对象的 isInstance() 方法来判断是否为某个类的实例，它是一个 native 方法：
public native boolean isInstance(Object obj);
3、创建实例
通过反射来生成对象主要有两种方式。
使用Class对象的newInstance()方法来创建Class对象对应类的实例。
Class<?> c = String.class;
Object str = c.newInstance();
先通过Class对象获取指定的Constructor对象，再调用Constructor对象的newInstance()方法来创建实例。这种方法可以用指定的构造器构造类的实例。
//获取String所对应的Class对象
Class<?> c = String.class;
//获取String类带一个String参数的构造器
Constructor constructor = c.getConstructor(String.class);
//根据构造器创建实例
Object obj = constructor.newInstance("23333");
System.out.println(obj);
4、获取方法
获取某个Class对象的方法集合，主要有以下几个方法：
getDeclaredMethods 方法返回类或接口声明的所有方法，包括公共、保护、默认（包）访问和私有方法，但不包括继承的方法。
public Method[] getDeclaredMethods() throws SecurityException
getMethods 方法返回某个类的所有公用（public）方法，包括其继承类的公用方法。
public Method[] getMethods() throws SecurityException
getMethod 方法返回一个特定的方法，其中第一个参数为方法名称，后面的参数为方法的参数对应Class的对象。
public Method getMethod(String name, Class<?>... parameterTypes)
只是这样描述的话可能难以理解，我们用例子来理解这三个方法：
package org.ScZyhSoft.common;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
public class test1 {
public static void test() throws IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException {
Class<?> c = methodClass.class;
Object object = c.newInstance();
Method[] methods = c.getMethods();
Method[] declaredMethods = c.getDeclaredMethods();
//获取methodClass类的add方法
Method method = c.getMethod("add", int.class, int.class);
//getMethods()方法获取的所有方法
System.out.println("getMethods获取的方法：");
for(Method m:methods)
System.out.println(m);
//getDeclaredMethods()方法获取的所有方法
System.out.println("getDeclaredMethods获取的方法：");
for(Method m:declaredMethods)
System.out.println(m);
}
}
class methodClass {
public final int fuck = 3;
public int add(int a,int b) {
return a+b;
}
public int sub(int a,int b) {
return a+b;
}
}
程序运行的结果如下:
getMethods获取的方法：
public int org.ScZyhSoft.common.methodClass.add(int,int)
public int org.ScZyhSoft.common.methodClass.sub(int,int)
public final void java.lang.Object.wait() throws java.lang.InterruptedException
public final void java.lang.Object.wait(long,int) throws java.lang.InterruptedException
public final native void java.lang.Object.wait(long) throws java.lang.InterruptedException
public boolean java.lang.Object.equals(java.lang.Object)
public java.lang.String java.lang.Object.toString()
public native int java.lang.Object.hashCode()
public final native java.lang.Class java.lang.Object.getClass()
public final native void java.lang.Object.notify()
public final native void java.lang.Object.notifyAll()
getDeclaredMethods获取的方法：
public int org.ScZyhSoft.common.methodClass.add(int,int)
public int org.ScZyhSoft.common.methodClass.sub(int,int)
可以看到，通过 getMethods() 获取的方法可以获取到父类的方法,比如 java.lang.Object 下定义的各个方法。
5、获取构造器信息
获取类构造器的用法与上述获取方法的用法类似。主要是通过Class类的getConstructor方法得到Constructor类的一个实例，而Constructor类有一个newInstance方法可以创建一个对象实例:
public T newInstance(Object ... initargs)
此方法可以根据传入的参数来调用对应的Constructor创建对象实例。
6、获取类的成员变量（字段）信息
主要是这几个方法，在此不再赘述：
getFiled：访问公有的成员变量
getDeclaredField：所有已声明的成员变量，但不能得到其父类的成员变量
getFileds 和 getDeclaredFields 方法用法同上（参照 Method）。
7、调用方法
当我们从类中获取了一个方法后，我们就可以用 invoke() 方法来调用这个方法。invoke 方法的原型为:
public Object invoke(Object obj, Object... args)
throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
InvocationTargetException
下面是一个实例：
public class test1 {
public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException {
Class<?> klass = methodClass.class;
//创建methodClass的实例
Object obj = klass.newInstance();
//获取methodClass类的add方法
Method method = klass.getMethod("add",int.class,int.class);
//调用method对应的方法 => add(1,4)
Object result = method.invoke(obj,1,4);
System.out.println(result);
}
}
class methodClass {
public final int fuck = 3;
public int add(int a,int b) {
return a+b;
}
public int sub(int a,int b) {
return a+b;
}
}
关于 invoke 方法的详解，后面我会专门写一篇文章来深入解析 invoke 的过程。
8、利用反射创建数组
数组在Java里是比较特殊的一种类型，它可以赋值给一个Object Reference。下面我们看一看利用反射创建数组的例子：
public static void testArray() throws ClassNotFoundException {
Class<?> cls = Class.forName("java.lang.String");
Object array = Array.newInstance(cls,25);
//往数组里添加内容
Array.set(array,0,"hello");
Array.set(array,1,"Java");
Array.set(array,2,"fuck");
Array.set(array,3,"Scala");
Array.set(array,4,"Clojure");
//获取某一项的内容
System.out.println(Array.get(array,3));
}
其中的Array类为java.lang.reflect.Array类。我们通过Array.newInstance()创建数组对象，它的原型是:
public static Object newInstance(Class<?> componentType, int length)
throws NegativeArraySizeException {
return newArray(componentType, length);
}
而 newArray 方法是一个 native 方法，它在 HotSpot JVM 里的具体实现我们后边再研究，这里先把源码贴出来：
private static native Object newArray(Class<?> componentType, int length)
throws NegativeArraySizeException;
源码目录：openjdk\hotspot\src\share\vm\runtime\reflection.cpp
arrayOop Reflection::reflect_new_array(oop element_mirror, jint length, TRAPS) {
if (element_mirror == NULL) {
THROW_0(vmSymbols::java_lang_NullPointerException());
}
if (length < 0) {
THROW_0(vmSymbols::java_lang_NegativeArraySizeException());
}
if (java_lang_Class::is_primitive(element_mirror)) {
Klass* tak = basic_type_mirror_to_arrayklass(element_mirror, CHECK_NULL);
return TypeArrayKlass::cast(tak)->allocate(length, THREAD);
} else {
Klass* k = java_lang_Class::as_Klass(element_mirror);
if (k->oop_is_array() && ArrayKlass::cast(k)->dimension() >= MAX_DIM) {
THROW_0(vmSymbols::java_lang_IllegalArgumentException());
}
return oopFactory::new_objArray(k, length, THREAD);
}
}
另外，Array 类的 set 和 get 方法都为 native 方法，在 HotSpot JVM 里分别对应 Reflection::array_set 和 Reflection::array_get 方法，这里就不详细解析了。
反射的主要用途：设计模式之反射与配置文件
反射最重要的用途就是开发各种通用框架。很多框架（比如 Spring）都是配置化的（比如通过 XML 文件配置 Bean），为了保证框架的通用性，它们可能需要根据配置文件加载不同的对象或类，调用不同的方法，这个时候就必须用到反射，运行时动态加载需要加载的对象。
<action name="login"
class="org.ScZyhSoft.test.action.SimpleLoginAction"
method="execute">
<result>/shop/shop-index.jsp</result>
<result name="error">login.jsp</result>
</action>
对与框架开发人员来说，反射虽小但作用非常大，它是各种容器实现的核心。而对于一般的开发者来说，不深入框架开发则用反射用的就会少一点，不过了解一下框架的底层机制有助于丰富自己的编程思想，也是很有益的。
下面举个例子：
为了满足“开闭原则”，大部分设计模式都引入了抽象层，如工厂方法模式、抽象工厂模式、适配器模式、桥接模式、命令模式、策略模式等等。客户端代码针对抽象层编程，而在程序运行的时候再指定其子类，根据“里氏代换原则”和面向对象的多态性，子类对象在运行时将覆盖父类对象。如果需要对系统进行扩展或修改，只需修改子类类名即可。在具体实现时，通过引入配置文件可以使得用户在不修改任何客户端代码的前提下增加或替换子类，其基本实现过程如下：
(1)客户端针对抽象层编程，客户端代码中不能出现任何具体类类名，即客户端不直接实例化对象；
(2)引入纯文本格式的配置文件，通常是XML文件，将具体类类名存储在配置文件中；
(3)通过DOM（Document Object Model，文档对象模型）、SAX（Simple APIfor XML）等XML解析技术获取存储在配置文件中的类名；
(4)在客户端代码中通过反射(Reflection)机制根据类名创建对象，用反射所创建的对象替换父类对象的引用，程序运行时，将调用子类方法来实现业务功能；
(5)如果需要扩展功能，只需增加一个新的子类继承抽象父类，再修改配置文件，重新运行程序即可；如果需要替换功能，只需用另一个子类类名替换存储在配置文件中的原有子类类名即可。无论是扩展还是替换都无须修改既有类库和客户端源代码，完全符合开闭原则。
下面通过工厂方法模式来说明如何使用配置文件和反射机制：
【实例说明】：宝马(BMW)工厂可以生产宝马轿车，奔驰(Benz)工厂可以生产奔驰轿车，使用工厂方法模式来设计该场景，所得类图如图1所示：
在图1中，CarFactory是抽象工厂，声明了工厂方法produceCar()，在其子类中实现了该方法，用于返回具体的产品。在客户端代码中将出现如下代码：
CarFactory cf;
Car car;
cf = new BMWFactory(); //创建具体工厂
car = cf.produceCar(); //使用工厂方法创建产品对象
car.run(); //调用产品的业务方法
在上述代码中，客户端针对抽象层编程，但是在创建具体工厂的时候还是涉及到了具体工厂子类类名，注意加粗的代码行。如果需要更换产品，如将BMW改为Benz，则需要更换工厂，要将BMWFactory改为BenzFactory，这将导致客户端代码发生修改。从客户端的角度而言违反了开闭原则，因此需要对上述代码进行改进。引入配置文件和反射机制是最佳的改进方法之一。
首先，我们将具体工厂类类名存储在如下XML文档中：
<?xml version="1.0"?>
<config>
<className>BMWFactory</className>
</config>
该XML文档即为配置文件，用于存储具体类的类名。Spring等主流的业务层框架都使用了XML格式的配置文件。
为了动态创建子类对象，我们需要再设计一个工具类XMLUtil用于读取该XML配置文件，在此使用Java语言实现该工具类。在XMLUtil的设计中需要使用Java语言的两个技术点，其一是DOM，即对XML文件的操作，关于DOM的详细学习可以参考其他相关书籍和资料，在此不予扩展；其二是Java反射机制，下面对Java反射机制做一个简单的介绍。
Java反射(Java Reflection)是指在程序运行时获取已知名称的类或已有对象的相关信息的一种机制，包括类的方法、属性、父类等信息，还包 括实例的创建和实例类型的判断等。在反射中使用最多的类是Class，Class类的实例表示正在运行的Java应用程序中的类和接口，其forName(StringclassName)方法可以返回与带有给定字符串名的类或接口相关联的 Class对象，再通过Class对象的newInstance()方法创建此对象所表示的类的一个新实例，即通过一个类名字符串得到类的实例。如创建一个字符串类型的对象，其代码如下所示：
//通过类名生成实例对象并将其返回
Class c=Class.forName("String");
Object obj=c.newInstance();
return obj;
通过引入DOM和反射机制后，可以在XMLUtil中实现读取XML文件并根据存储在XML文件中的类名创建对应的对象，XMLUtil类的详细代码如下：
import javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import org.xml.sax.SAXException;
import java.io.*;
public class XMLUtil
{
//该方法用于从XML配置文件中提取具体类类名，并返回一个实例对象
public static Object getBean()
{
try
{
//创建DOM文档对象
DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();
Document doc;
doc = builder.parse(new File("config.xml"));
//获取包含类名的文本节点
NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");
Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();
String cName=classNode.getNodeValue();
//通过类名生成实例对象并将其返回
Class c=Class.forName(cName);
Object obj=c.newInstance();
return obj;
}
catch(Exception e)
{
e.printStackTrace();
return null;
}
}
}
有了XMLUtil类后，我们在客户端代码中不再直接使用new关键字来创建具体的工厂类，而是将具体工厂类的类名存放在XML文件中，再通过XMLUtil类的静态工厂方法getBean()方法进行对象的实例化，代码修改如下：
CarFactory cf;
Car car;
cf = (CarFactory)XMLUtil.getBean();//getBean()的返回类型为Object，此处需要进行强制类型转换
car = cf.produceCar();
car.run();