Java 类型信息详解和反射机制介绍
rtti
rtti(runtime type information)运行时类型信息,能够在程序运行时发现和使用类型信息,把我们从只能在编译期知晓类型信息并操作的局限中解脱出来
传统的多态机制正是 rtti 的基本使用:假设有一个基类 shape 和它的三个子类 circle、square、triangle,现在要把 circle、square、triangle 对象放入 list<shape> 中,在运行时,先把放入其中的所有对象都当作 object 对象来处理,再自动将类型转换为 shape。所有类型转换的正确性检查都是在运行时进行的,这也正是 rtti 的含义所在:在运行时,识别一个对象的类型
但这样的类型转换并不彻底,object 只是被转型为 shape,而不是更具体的 circle、square、triangle,如果我们希望得到更具体的类型呢?比如说我们现在需要旋转所有图形,但是想跳过圆形(圆形旋转没有意义),这时可以使用 rtti 查询某个 shape 引用所指向对象的确切类型,然后选择进行合适的处理
class 对象
众所周知,每当我们编写并编译了一个新类,就会产生一个 class 对象,它包含了与类有关的信息。我们可以使用 class 对象来实现 rtti,一旦某个类的 class 对象被载入内存,它就可以用来创建这个类的所有对象
class 对象都属于 class 类型,既然它也是对象,那我们就可以获取和操控它的引用。forname() 是 class 类的一个静态方法,我们可以使用 forname() 根据目标类的全限定名(包含包名)得到该类的 class 对象。使用 forname() 会有一个副作用,那就是如果这个类没有被加载就会加载它,而在加载的过程中,gum 类的 static 初始块会被执行。当 class.forname() 找不到要加载的类,就会抛出异常
classnotfoundexception
class gumclass = class.forname("gum");
使用 class.forname() 你不需要先持有这个类型的对象,但如果你已经拥有了目标类的对象,那就可以通过调用 getclass() 方法来获取 class 引用,这个方法来自根类 object,它将返回表示该对象实际类型的 class 对象的引用
gum gum = new gum();
class gumclass = gum.getclass();
另外,你还可以调用 getsuperclass() 方法来得到父类的 class 对象,再用父类的 class 对象调用该方法,重复多次,你就可以得到一个完整的类继承结构
class 对象的 newinstance() 方法可以让你在不知道一个的确切类型的时候创建这个类的对象,使用 newinstance() 来创建的类,必须带有无参数的构造器
object obj = gumclass.newinstance();
当然,由于得到的是 object 的引用,目前你只能给它发送 object 对象能接受的调用。如果你想请求具体对象才有的调用,你就得先获取该对象的更多类型信息,并执行转型
java 还提供了另一种生成类对象的引用:类字面常量,这样做不仅更简单,而且更安全,因为它在编译时就会收到检查(不用放在 try 语句块中),而且根除了对 forname() 方法的调用,效率更高
class gumclass = gum.class;
类字面常量不仅可以用于普通类,也可以用于接口、数组以及基本数据类型。对于基本数据类型的包装类,还有一个标准字段 type,type 字段是一个引用,指向对应基本数据类型的 class 对象,例如 int.class 就等价于 integer.type。还有一点值得注意的是:使用 .class 语法来获得对类对象的引用不会触发初始化
到这里我们都知道了,class 引用总是指向某个 class 对象,而 class 对象可以用于产生类的实例。不过自从 java 引入泛型以后,我们就可以使用泛型对 class 引用所指向的 class 对象的类型进行限定,让它的类型变得更具体些
class intclass = int.class; class<integer> genericintclass = int.class; intclass = genericintclass; // 同一个东西 // genericintclass = double.class 非法
好了,既然拿到了 class 对象,那我们就可以这个类的类型信息,常用的方法如下:
方法 | 用途 |
---|---|
assubclass(class clazz) | 把传递的类的对象转换成代表其子类的对象 |
cast | 把对象转换成代表类或是接口的对象 |
getclassloader() | 获得类的加载器 |
getclasses() | 返回一个数组,数组中包含该类中所有公共类和接口类的对象 |
getdeclaredclasses() | 返回一个数组,数组中包含该类中所有类和接口类的对象 |
forname(string classname) | 根据类名返回类的对象 |
getname() | 获得类的完整路径名字 |
newinstance() | 创建类的实例 |
getpackage() | 获得类的包 |
getsimplename() | 获得类的名字 |
getsuperclass() | 获得当前类继承的父类的名字 |
getinterfaces() | 获得当前类实现的类或是接口 |
类型转换检测
到目前为止,我们已知的 rtti 类型包括:
- 传统的类型转换,如多态
- 代表对象类型的 class 对象
rtti 在 java 中还有第三种形式,那就是关键字 instanceof,它返回一个布尔值,告诉我们对象是不是某个特定类型的实例,可以用提问的方式使用它
java 还提供了 class.isinstance() 方法动态检测对象类型,例如
0 instance of string // 编译报错 string.class.isinstance(0) // 可以通过编译
反射
如果你不知道对象的确切类型,rtti 会告诉你,但是有一个限制:必须在编译时知道类型,才能使用 rtti 检测它。换句话说,编译器必须知道你使用的所有类
看上去这并不是什么特别大的限制,但假设你引用了一个不在程序空间中的对象,比如你从磁盘文件或网络连接中获得大量的字节,并被告知这些字节代表一个类,那该怎么办呢?
类 class 支持反射的概念,java.lang.reflect 库中支持类 field、method、constructor(每一个都实现了 member 接口),这些类型的对象由 jvm 运行时创建,以表示未知类中的对应成员。通常我们不会直接使用反射,但反射可以用来支持其他 java 特性,例如对象序列化等
field 代表类的成员变量(成员变量也称为类的属性),class 类中定义了如下方法用来获取 field 对象
方法 | 用途 |
---|---|
getfield(string name) | 获得某个公有的属性对象 |
getfields() | 获得所有公有的属性对象 |
getdeclaredfield(string name) | 获得某个属性对象 |
getdeclaredfields() | 获得所有属性对象 |
field 类定义了如下方法设置成员变量的信息
方法 | 用途 |
---|---|
equals(object obj) | 属性与 obj 相等则返回 true |
get(object obj) | 获得 obj 中对应的属性值 |
set(object obj, object value) | 设置 obj 中对应属性值 |
method 代表类的方法,class 类中定义了如下方法用来获取 method 对象
方法 | 用途 |
---|---|
getmethod(string name, class...<?> parametertypes) | 获得该类某个公有的方法 |
getmethods() | 获得该类所有公有的方法 |
getdeclaredmethod(string name, class...<?> parametertypes) | 获得该类某个方法 |
getdeclaredmethods() | 获得该类所有方法 |
method 类定义了如下方法对方法进行调用
方法 | 用途 |
---|---|
invoke(object obj, object... args) | 传递 object 对象及参数调用该对象对应的方法 |
constructor 代表类的构造器,class 类中定义了如下方法用来获取 constructor 对象
方法 | 用途 |
---|---|
getconstructor(class...<?> parametertypes) | 获得该类中与参数类型匹配的公有构造方法 |
getconstructors() | 获得该类的所有公有构造方法 |
getdeclaredconstructor(class...<?> parametertypes) | 获得该类中与参数类型匹配的构造方法 |
getdeclaredconstructors() | 获得该类所有构造方法 |
constructor 代表类的构造方法
方法 | 用途 |
---|---|
newinstance(object... initargs) | 根据传递的参数创建类的对象 |
除了成员变量、方法和构造器以外,反射还能获取其他更多的信息,例如注解等,具体可查阅 java api
反射的强大威力大家已经看到了,通过反射我们甚至可以获取到一些“本不应该获取”的信息,例如程序员为了降低耦合,往往会使用接口来隔离组件,但反射却可以轻易破解
public interface a { void f(); } class b implements a { public void f() {} public void g() {} } public class interfaceviolation { public static void main(string[] args) { a a = new b(); a.f(); // a.g(); // 编译错误 if (a instanceof b) { b b = (b) a; b.g(); } } }
通过使用 rtti,我们发现 a 是用 b 实现的,只要将其转型为 b,我们就可以调用不在 a 中的方法。如果你不希望客户端开发者这样做,那该如何解决呢?一种解决方案是直接声明为实际类型,另一种则是让实现类只具有包访问权限,这样包外部的客户端就看不到实现类了
除了这个以外,通过反射可以获得所有成员信息,包括 private 的,通常这种违反访问权限的操作并不是十恶不赦的,也许还可以帮助你解决某些特定类型的问题
动态代理
代理是基本的设计模式之一,一个对象封装真实对象,代替真实对象提供其他不同的操作,这些操作通常涉及到与真实对象的通信,因此代理通常充当中间对象。下面是一个简单的静态代理的示例:
interface interface { void dosomething(); } class realobject implements interface { @override public void dosomething() { system.out.println("dosomething"); } } class simpleproxy implements interface { private interface proxied; simpleproxy(interface proxied) { this.proxied = proxied; } @override public void dosomething() { system.out.println("simpleproxy dosomething"); proxied.dosomething(); } } class simpleproxydemo { public static void consumer(interface iface) { iface.dosomething(); } public static void main(string[] args) { consumer(new realobject()); consumer(new simpleproxy(new realobject())); } }
当你希望将额外的操作与真实对象做分离时,代理可能会有所帮助,而 java 的动态代理更进一步,不仅动态创建代理对象,而且可以动态地处理对代理方法的调用。在动态代理上进行的所有调用都会重定向到一个调用处理程序,该程序负责发现调用的内容并决定如何处理,下面是一个简单示例:
class dynamicproxyhandler implements invocationhandler { private object proxied; dynamicproxyhandler(object proxied) { this.proxied = proxied; } @override public object invoke(object proxy, method method, object[] args) throws throwable { return method.invoke(proxied, args); } } class simpledynamicproxy { public static void consumer(interface iface) { iface.dosomething(); } public static void main(string[] args) { realobject real = new realobject(); interface proxy = (interface) proxy.newproxyinstance( interface.class.getclassloader(), new class[]{interface.class}, new dynamicproxyhandler(real)); consumer(proxy); } }
通过调用静态方法 proxy.newproxyinstance() 来创建动态代理,该方法需要三个参数:类加载器、希望代理实现的接口列表、以及接口 invocationhandler 的一个实现。invocationhandler 正是我们所说的调用处理程序,动态代理的所有调用会被重定向到调用处理程序,因此通常为调用处理程序的构造函数提供一个真实对象的引用,以便执行中间操作后可以转发请求
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