Table of Contents

  1. 简单实例
  2. 类装载器ClassLoader
    1. 类装载器工作机制
    2. ClassLoader重要方法
  3. Java反射机制

Java语言允许通过程序化的方式间接对Class进行操作,Class文件由类装载器装载后,在JVM中将形成一份描述Class结构的元信息对象,通过该元信息对象可以获知Class的结构信息:如构造函数、属性和方法等。Java允许用户借由这个Class相关的元信息对象间接调用Class对象的功能,这就为使用程序化方式操作Class对象开辟了途径。

原文链接:http://stamen.iteye.com/blog/1497981

简单实例

我们将从一个简单例子开始探访Java反射机制的征程,下面的Car类拥有两个构造函数、两个方法以及三个属性

代码清单 Car.java

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ublic class Car {
private String brand;
private String color;
private int maxSpeed;
// ①默认构造函数
public Car() {
}
// ②带参构造函数
public Car(String brand, String color, int maxSpeed) {
this.brand = brand;
this.color = color;
this.maxSpeed = maxSpeed;
}
// ③未带参的方法
public void introduce() {
System.out.println("brand:" + brand + ";color:" + color + ";maxSpeed:"
+ maxSpeed);
}
public String getBrand() {
return brand;
}
public void setBrand(String brand) {
this.brand = brand;
}
public String getColor() {
return color;
}
public void setColor(String color) {
this.color = color;
}
public int getMaxSpeed() {
return maxSpeed;
}
public void setMaxSpeed(int maxSpeed) {
this.maxSpeed = maxSpeed;
}
}

一般情况下,我们会使用如下的代码创建Car的实例:

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

或者

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Car car = new Car("红旗CA72","黑色");

以上两种方法都采用传统方式的直接调用目标类的方法,下面我们通过Java反射机制以一种更加通用的方式间接地操作目标类:

代码清单:ReflectTest.java

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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通过类装载器获取Car类对象
ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
Class clazz = loader.loadClass("Car");
// ②获取类的默认构造器对象并通过它实例化Car
Constructor cons = clazz.getDeclaredConstructor((Class[]) null);
Car car = (Car) cons.newInstance();
// ③通过反射方法设置属性
Method setBrand = clazz.getMethod("setBrand", String.class);
setBrand.invoke(car, "红旗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();
}
}

运行以上程序,在控制台上将打印出以下信息:

brand:红旗CA72;color:黑色;maxSpeed:200

这说明我们完全可以通过编程方式调用Class的各项功能,这和直接通过构造函数和方法调用类功能的效果是一致的,只不过前者是间接调用,后者是直接调用罢了。

在ReflectTest中,使用了几个重要的反射类,分别是ClassLoader、Class、Constructor和Method,通过这些反射类就可以间接调用目标Class的各项功能了。在①处,我们获取当前线程的ClassLoader,然后通过指定的全限定类“com.baobaotao.beans.Car”装载Car类对应的反射实例。在②处,我们通过Car的反射类对象获取Car的构造函数对象cons,通过构造函数对象的newInstrance()方法实例化Car对象,其效果等同于new Car()。在③处,我们又通过Car的反射类对象的getMethod(String methodName,Class paramClass)获取属性的Setter方法对象,第一个参数是目标Class的方法名;第二个参数是方法入参的对象类型。获取方法反射对象后,即可通过invoke(Object obj,Object param)方法调用目标类的方法,该方法的第一个参数是操作的目标类对象实例;第二个参数是目标方法的入参。

在代码清单3 10中,粗体所示部分的信息即是通过反射方法操控目标类的元信息,如果我们将这些信息以一个配置文件的方式提供,就可以使用Java语言的反射功能编写一段通用的代码对类似于Car的类进行实例化及功能调用操作了。

类装载器ClassLoader

类装载器工作机制

类装载器就是寻找类的节码文件并构造出类在JVM内部表示对象的组件。在Java中,类装载器把一个类装入JVM中,要经过以下步骤:

[1.]装载:查找和导入Class文件;
[2.]链接:执行校验、准备和解析步骤,其中解析步骤是可以选择的:
[2.1]校验:检查载入Class文件数据的正确性;
[2.2]准备:给类的静态变量分配存储空间;
[2.3]解析:将符号引用转成直接引用;
[3.]初始化:对类的静态变量、静态代码块执行初始化工作。

类装载工作由ClassLoader及其子类负责,ClassLoader是一个重要的Java运行时系统组件,它负责在运行时查找和装入Class字节码文件。JVM在运行时会产生三个ClassLoader:根装载器、ExtClassLoader(扩展类装载器)和AppClassLoader(系统类装载器)。其中,根装载器不是ClassLoader的子类,它使用C++编写,因此我们在Java中看不到它,根装载器负责装载JRE的核心类库,如JRE目标下的rt.jar、charsets.jar等。ExtClassLoader和AppClassLoader都是ClassLoader的子类。其中ExtClassLoader负责装载JRE扩展目录ext中的JAR类包;AppClassLoader负责装载Classpath路径下的类包。

这三个类装载器之间存在父子层级关系,即根装载器是ExtClassLoader的父装载器,ExtClassLoader是AppClassLoader的父装载器。默认情况下,使用AppClassLoader装载应用程序的类,我们可以做一个实验:

代码清单: ClassLoaderTest.java

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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());
}
}

运行以上代码,在控制台上将打出以下信息:

current loader:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@131f71a
parent loader:sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@15601ea
//①根装载器在Java中访问不到,所以返回null
grandparent loader:null

通过以上的输出信息,我们知道当前的ClassLoader是AppClassLoader,父ClassLoader是ExtClassLoader,祖父ClassLoader是根类装载器,因为在Java中无法获得它的句柄,所以仅返回null。

JVM装载类时使用“全盘负责委托机制”,“全盘负责”是指当一个ClassLoader装载一个类的时,除非显式地使用另一个ClassLoader,该类所依赖及引用的类也由这个ClassLoader载入;“委托机制”是指先委托父装载器寻找目标类,只有在找不到的情况下才从自己的类路径中查找并装载目标类。这一点是从安全角度考虑的,试想如果有人编写了一个恶意的基础类(如java.lang.String)并装载到JVM中将会引起多么可怕的后果。但是由于有了“全盘负责委托机制”,java.lang.String永远是由根装载器来装载的,这样就避免了上述事件的发生。

ClassLoader重要方法

在Java中,ClassLoader是一个抽象类,位于java.lang包中。下面对该类的一些重要接口方法进行介绍:
Class loadClass(String name)
name参数指定类装载器需要装载类的名字,必须使用全限定类名,如com.baobaotao. beans.Car。该方法有一个重载方法loadClass(String name ,boolean resolve),resolve参数告诉类装载器是否需要解析该类。在初始化类之前,应考虑进行类解析的工作,但并不是所有的类都需要解析,如果JVM只需要知道该类是否存在或找出该类的超类,那么就不需要进行解析。

Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
将类文件的字节数组转换成JVM内部的java.lang.Class对象。字节数组可以从本地文件系统、远程网络获取。name为字节数组对应的全限定类名。

Class findSystemClass(String name)
从本地文件系统载入Class文件,如果本地文件系统不存在该Class文件,将抛出ClassNotFoundException异常。该方法是JVM默认使用的装载机制。
Class findLoadedClass(String name)
调用该方法来查看ClassLoader是否已装入某个类。如果已装入,那么返回java.lang.Class对象,否则返回null。如果强行装载已存在的类,将会抛出链接错误。

ClassLoader getParent()
获取类装载器的父装载器,除根装载器外,所有的类装载器都有且仅有一个父装载器,ExtClassLoader的父装载器是根装载器,因为根装载器非Java编写,所以无法获得,将返回null。

除JVM默认的三个ClassLoader以外,可以编写自己的第三方类装载器,以实现一些特殊的需求。类文件被装载并解析后,在JVM内将拥有一个对应的java.lang.Class类描述对象,该类的实例都拥有指向这个类描述对象的引用,而类描述对象又拥有指向关联ClassLoader的引用,如图3所示。

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每一个类在JVM中都拥有一个对应的java.lang.Class对象,它提供了类结构信息的描述。数组、枚举、注解以及基本Java类型(如int、double等),甚至void都拥有对应的Class对象。Class没有public的构造方法。Class对象是在装载类时由JVM通过调用类装载器中的defineClass()方法自动构造的。

Java反射机制

Class反射对象描述类语义结构,可以从Class对象中获取构造函数、成员变量、方法类等类元素的反射对象,并以编程的方式通过这些反射对象对目标类对象进行操作。这些反射对象类在java.reflect包中定义,下面是最主要的三个反射类:
 Constructor:类的构造函数反射类,通过Class#getConstructors()方法可以获得类的所有构造函数反射对象数组。在JDK5.0中,还可以通过getConstructor(Class… parameterTypes)获取拥有特定入参的构造函数反射对象。Constructor的一个主要方法是newInstance(Object[] initargs),通过该方法可以创建一个对象类的实例,相当于new关键字。在JDK5.0中该方法演化为更为灵活的形式:newInstance (Object… initargs)。
 Method:类方法的反射类,通过Class#getDeclaredMethods()方法可以获取类的所有方法反射类对象数组Method[]。在JDK5.0中可以通过getDeclaredMethod(String name, Class… parameterTypes)获取特定签名的方法,name为方法名;Class…为方法入参类型列表。Method最主要的方法是invoke(Object obj, Object[] args),obj表示操作的目标对象;args为方法入参,代码清单3 10③处演示了这个反射类的使用方法。在JDK 5.0中,该方法的形式调整为invoke(Object obj, Object… args)。此外,Method还有很多用于获取类方法更多信息的方法:
1)Class getReturnType():获取方法的返回值类型;
2)Class[] getParameterTypes():获取方法的入参类型数组;
3)Class[] getExceptionTypes():获取方法的异常类型数组;
4)Annotation[][] getParameterAnnotations():获取方法的注解信息,JDK 5.0中的新方法;
 Field:类的成员变量的反射类,通过Class#getDeclaredFields()方法可以获取类的成员变量反射对象数组,通过Class#getDeclaredField(String name)则可获取某个特定名称的成员变量反射对象。Field类最主要的方法是set(Object obj, Object value),obj表示操作的目标对象,通过value为目标对象的成员变量设置值。如果成员变量为基础类型,用户可以使用Field类中提供的带类型名的值设置方法,如setBoolean(Object obj, boolean value)、setInt(Object obj, int value)等。

此外,Java还为包提供了Package反射类,在JDK 5.0中还为注解提供了AnnotatedElement反射类。总之,Java的反射体系保证了可以通过程序化的方式访问目标类中所有的元素,对于private或protected的成员变量和方法,只要JVM的安全机制允许,也可以通过反射进行调用,请看下面的例子:

代码清单 PrivateCar.java

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import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Method;
public class PrivateCarReflect {
public static void main(String[] args) throws Throwable {
ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
Class clazz = loader.loadClass("PrivateCar");
PrivateCar pcar = (PrivateCar) clazz.newInstance();
Field colorFld = clazz.getDeclaredField("color");
// ①取消Java语言访问检查以访问private变量
colorFld.setAccessible(true);
colorFld.set(pcar, "红色");
Method driveMtd = clazz.getDeclaredMethod("drive", (Class[]) null);
// Method driveMtd = clazz.getDeclaredMethod("drive"); JDK5.0下使用
// ②取消Java语言访问检查以访问protected方法
driveMtd.setAccessible(true);
driveMtd.invoke(pcar, (Object[]) null);
}
}

运行该类,打印出以下信息:

drive private car! the color is:红色

在访问private、protected成员变量和方法时必须通过setAccessible(boolean access)方法取消Java语言检查,否则将抛出IllegalAccessException。如果JVM的安全管理器设置了相应的安全机制,调用该方法将抛出SecurityException。