Java注解和反射笔记

1 注解

1.1 定义

Annotation是从JDK1.5开始引入的技术

作用

• 不是程序本身，可以对程序作出解释
• 可以被其他程序（编译器等）读取

格式

• @注释名，可以添加一些数值
• 注解可以附加在package，class，method，field上面，可以通过反射机制实现对这些元数据的访问

1.2 内置注解

• @Override：定义在java.lang.Override中，只适用于修饰方法，表示一个方法声明打算重写超类中的另一个方法声明
• @Deprecated：定义在java.lang.Deprecated中，可以修饰方法，属性，类，表示不建议使用这样的元素，有更好的选择
• @SuppressWarnings：定义在java.lang.SuppressWarnings中，用来抑制编译时的警告信息

1.3 元注解

元注解的作用是负责注解其他注解，Java定义了4个标注的meta-annotation类型

• @Target：用于描述注解的使用范围（类，方法，属性等）
• @Retention：表示需要在什么级别保存该注释信息，用于描述注解的生命周期
  • SOURCE < CLASS < RUNTIME
• @Documented：说明该注解将被包含在javadoc中
• @Inherited：说明子类可以继承父类中的该注解

1.4 自定义注解

• 使用@interface自定义注解，自动继承java.lang.annotation.Annotation接口
• 其中的每个方法实际上是声明了配置参数，方法的名称就是参数的名称，返回值的类型就是参数的类型
• 用default来声明参数的默认值
• 如果只有一个参数成员，一般参数名为value，且定义为value后，使用时可以省略参数名value，直接写值

@Target(value = {ElementType.METHOD, ElementType.TYPE})
@Retention(value = RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Inherited
public @interface MyAnnotation {
    
    //注解的参数：参数类型+参数名()
    String name() default "";	//默认为空
    
    int age() default 0;
    
    int id() default -1;	//默认值为-1，代表不存在
    
    String[] jobs();
}

2 静态语言和动态语言

• 动态语言
  • 在运行时可以改变其结构，新的函数、对象、代码可以被引进，已有的函数可以被删除或是其他结构上的变化
  • Object-C，C#，JavaScript，PHP，Python
• 静态语言
  • 运行时结构不可改变
  • C，C++，Java

Java不是动态语言，但是可以利用反射机制获得类似动态语言的特性

3 反射

3.1 概述

反射机制允许程序在执行期间借助于Reflection API获得任何类的内部信息，并能直接操作任意对象的内部属性及方法

Class c = Class.forName("java.lang.String");

加载完类之后，在堆内存的方法区中就产生了一个Class类型的对象（一个类只有一个Class对象），这个对象包含了完整的类的结构信息，通过这个类可以看到类的结构

• 正常方式
  • 引入需要的包类名称 ---> 通过new实例化 ---> 取得实例化对象
• 反射方式
  • 实例化对象 ---> getClass()方法 ---> 得到完整的包类结构信息

3.2 Class类

对于每个类而言，jre都会为其保留一个不变的Class类型的对象。一个Class对象包含了特定某个结构的信息

• Class本身也是一个类
• Class对象只能由系统建立对象
• 一个加载的类在JVM中只会有一个Class实例
• 一个Class对象对应的是一个加载到JVM中一个.class文件
• 每个类的实例都会记得自己是由哪个Class实例所生成的
• Class类是Reflection的根源，针对任何想动态加载、运行的类，只有先获得相应的Class对象

3.3 获得反射对象

首先，哪些类型有Class对象

• class：外部类，成员内部类，静态内部类，局部内部类，匿名内部类
• interface：接口
• []：数组
  • 只要元素类型和维度一样，就是同一个Class，不管数据长度
• enum：枚举
• annotation：注解@interface
• primitive type：基本数据类型
• void

获得Class对象的方法

• 已知具体的类，通过类的class属性获取，这种方法最安全快速

  • Class clazz = Person.class;
    

• 已知某个类的实例，调用该实例的getClass()方法获取Class对象

  • Class clazz = persion.getClass();
    

• 已知类的全类名，通过Class类的静态方法forName()获取，可能抛出异常

  • Class clazz = Class.forName("com.hjc.pojo.User");
    

• 内置基本数据类型可以直接用类名.TYPE

• 利用ClassLoader

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Person person = new Student();
        System.out.println(person.name);
        
        //通过对象获得
        Class c1 = person.getClass();
        
        //通过forName获得
        Class c2 = Class.forName("com.hjc.reflection.Student");
        
        //通过类名.class获得
        Class c3 = Student.class;
        
        //基本数据类型
        Class c4 = Integer.TYPE;
        
        //获得父类
        Class c5 = c1.getSuperClass();
    }
}

class Person {
    String name;
    
    //省略构造函数和set/get方法
}

class Student extends Person {
    public Student() {
        this.name = "student";
    }
}

class Teacher extends Person {
    public Teacher() {
        this.name = "teacher";
    }
}

3.4 类加载过程

当程序主动使用某个类时，如果该类还未被加载到内存中，则系统会通过三个步骤对该类进行初始化

• 加载
  • 将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些静态数据转换成方法区的运行时数据结构，生成一个代表这个类的java.lang.Class对象
• 链接
  • 将Java类的二进制代码合并到JVM的运行状态之中
    • 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，没有安全方面的问题
    • 准备：正式为类变量（static）分配内存并设置类变量默认初始值，这些内存都在方法区中进行分配
    • 解析：虚拟机常量池内的符号引用（常量名）替换为直接引用（地址）
• 初始化
  • 执行类构造器<clinit>()方法的过程
  • 当初始化一个类的时候，如果发现父类还没有初始化，则要先触发父类的初始化
  • 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确加锁和同步

3.5 类初始化

什么时候会发生类初始化

• 类的主动引用（一定会发生类的初始化)
  • 当虚拟机启动，先初始化main方法所在的类
  • new一个类的对象
  • 调用类的静态成员（除了final常量）和静态方法
  • 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用
  • 当初始化一个类，如果其父类没有被初始化，则会先初始化其父类
• 类的被动引用（不会发生类的初始化）
  • 当访问一个静态域时，只有真正声明这个域的类才会被初始化
    • 比如，通过子类引用父类的静态变量，不会导致子类初始化
  • 通过数组定义类引用，不会触发此类的初始化
  • 引用常量不会触发此类的初始化
    • 常量在链接阶段就存入调用类的常量池中了

public class Test {
    
    static {
        System.out.println("Main类被加载");
    }
    
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        //主动引用
        B b = new B();
        
        //反射
        Class.forName("com.hjc.reflection.B");
        
        //B不会被加载，会加载A
        System.out.println(B.n);
        
        //B不被加载
        B[] array = new B[10];
        System.out.println(B.M);
    }
}

class A {
    
    static {
        System.out.println("父类被加载");
    }
    
    static int n = 2;
}

classs B extends A {
    
    static {
        System.out.println("子类被加载");
        m = 300;
    }
    
    static int m = 100;
    static final int M = 1;
}

3.6 类加载器

类加载器的作用

• 将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些静态数据转换程方法区的运行时数据结构，在堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区中类数据的访问入口

类缓存

• 标准的JavaSE类加载器可以按要求查找类，但一旦某个类被加载到类加载器中，它将维持加载（缓存）一段时间，但JVM垃圾回收机制可以回收这些Class对象

类加载器

• 引导类加载器
  • 用C++编写，是JVM自带的类加载器，负责Java平台核心库，用来装载核心类库，该加载器无法直接获取
• 扩展类加载器
  • 负责jre/lib/ext目录下的jar包装入工作库
• 系统类加载器
  • 负责java -classpath下的jar包装入工作库，是最常用的加载器

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        //获取系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);
        
        //获取系统类加载器的父类，扩展类加载器
        ClassLoader parent = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(parent);
        
        //获取扩展类加载器的父类，引导类加载器，无法获取
        parent = parent.getParent();
        System.out.println(parent);
        
        //测试当前类是由哪个类加载器加载的
        ClassLoader classLoader = Class.forName("com.hjc.reflection.Test").getClassLoader();
        System.out.println(ClassLoader);
        
        //测试jdk内置的类
        classLoader = Class.forName("java.lang.Object").getClassLoader();
        System.out.println(ClassLoader);
    }
}

3.7 获取运行时类的完整结构

获得了类的Class对象，那么我们就可以得到类的运行时信息

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException {
        Class c = Class.forName("com.hjc.reflection.User");
        
        //获得类的名字
        System.out.println(c.getName());	//包名+类名
        System.out.println(c.getSimpleName());	//类名
        
        //获得类的属性
        Field[] fields = c.getFields();	//只能得到public属性
        for (Field field : fields) {
            System.out.println(field);
        }
        
        fields = c.getDeclaredFields();	//可以得到全部属性
        for (Field field : fields) {
            System.out.println(field);
        }
        
        //获得指定属性
        Field name = c.getField("name");	//找不到，因为name是private
        System.out.println(name);
        
        Field name = c.getDeclaredField("name");	//可以找到
        System.out.println(name);
        
        //获得类的方法
        Method[] methods = c.getMethods();	//获得本类及其父类的全部public方法
        for (Method method : methods) {
            System.out.println(method);
        }
        
        methods = c.getDeclaredMethods();	//获得本类的全部方法
        for (Method method : methods) {
            System.out.println(method);
        }
        
        //获得类的指定方法
        Method getName = c.getMethod("getName", null);	//方法名+参数
        Method setName = c.getMethod("setName", String.class);
        System.out.println(getName);
        System.out.println(setName);
        
        //获得类的构造器
        Constructor[] constructors = c.getConstructors();	//获得public
        for (Constructor constructor : constructors) {
            System.out.println(constructor);
        }
        
        constructors = c.getDeclaredConstructors();		//获得全部
        for (Constructor constructor : constructors) {
            System.out.println(constructor);
        }
        
        //获得指定构造器
        Constructor declaredConstructor = c.getDeclaredConstructor(int.class, String.class, int.class);
        System.out.println(declaredConstructor);
    }
}

class User {
    private int id;
    private String name;
    private int age;
    
    //省略构造方法和set/get方法
}

3.8 动态创建对象执行方法

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class c = Class.forName("com.hjc.reflection.User");
        
        //构造一个对象
        User user = (User) c.newInstance();	//本质上调用了类的无参构造器
        System.out.println(user);
        
        //如果没有无参构造器，通过有参构造器创建对象
        Constructor constructor = c.getDeclaredConstructor(int.class, String.class, int.class);
        User user = (User) constructor.newInstance(1, "test", 18);
        System.out.println(user);
        
        //反射调用方法
        Method setName = c.getDeclaredMethod("setName", String.class);
        setName.invoke(user, "test1");	//invoke传递对象和方法参数值
        System.out.println(user);
        
        //反射操作属性
        Field name = c.getDeclaredField("name");
        //不能直接操作私有属性，需要关闭程序的安全检测
        //调用属性或者方法的setAccessible(true)
        name.setAccessible(true);
        name.set(user, "test2");
        System.out.println(user);
    }
}

3.9 性能分析

public class Test {
    //普通方式
    public void test1() {
        User user = new User();
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        
        for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
            user.getName();
        }
        
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        
        System.out.println("普通方式执行十亿次：" + (endTime - startTime) + "ms");
    }
    
    //反射方式
    public void test2() throws NoSuchMethodException {
        User user = new User();
        Class c = user.getClass();
        Method getName = c.getDeclaredMethod("getName", null);
        
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        
        for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
            getName.invoke(user, null);
        }
        
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        
        System.out.println("反射方式执行十亿次：" + (endTime - startTime) + "ms");
    }
    
    //反射方式，关闭检测
    public void test3() throws NoSuchMethodException {
        User user = new User();
        Class c = user.getClass();
        Method getName = c.getDeclaredMethod("getName", null);
        getName.setAccessible(true);
        
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        
        for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
            getName.invoke(user, null);
        }
        
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        
        System.out.println("关闭检测后，反射方式执行十亿次：" + (endTime - startTime) + "ms");
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        test1();
        test2();
        test3();
    }
}

3.10 反射操作泛型

Java采用泛型擦除的机制来引入泛型，Java中的泛型仅仅是给编译器javac使用的，确保数据的安全性和免去强制类型转换问题，但是一旦编译完成，所有和泛型有关的类型全部擦除

为了通过反射操作泛型，Java引入了几个类

• ParameterizedType：表示一种参数化类型，如Collection<String>
• GenericArrayType：表示一种元素类型是参数化类型或者类型变量的数组类型
• TypeVariable：各种类型变量的公共父接口
• WildcardType：代表一种通配符类型表达式

public class Test {
    
    public void test1(Map<String, User> map, List<User> list) {
        System.out.println("test1");
    }
    
    public Map<String, User> test2() {
        System.out.println("test2");
        return null;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Method method = Test.class.getMethod("test1", Map.class, List.class);
        Type[] types = method.getGenericParameterTypes();
        for (Type type : types) {
            System.out.println(type);
            if (type instanceof ParameterizedType) {
                Type[] actualTypes = ((ParameterizedType) type).getActualTypeArguments();
                for (Type actualType : actualTypes) {
                    System.out.println(actualType);
                }
            }
        }
        
        method = Test.class.getMethod("test2", null);
        Type returnType = method.getGenericReturnType();
        System.out.println(resultType);
        if (returnType instanceof ParameterizedType) {
            Type[] actualTypes = ((ParameterizedType) returnType).getActualTypeArguments();
            for (Type actualType : actualTypes) {
                System.out.println(actualType);
            }
        }
    }
}

3.11 反射操作注解

很多框架都是通过反射获取注解信息，来帮我们解决了很多事情

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class c = Class.forName("com.hjc.reflection.Student");
        
        //通过反射获得注解
        Annotation[] annotations = c.getAnnotations();
        for (Annotation annotation : annotations) {
            System.out.println(annotation);
        }
        
        //获得注解的值
        Table1 table1 = (Table1) c.getAnnotation(Table1.class);
        String value = table1.value();
        System.out.println(value);
        
        //获得指定的注解
        Field f = c.getDeclaredField("name");
        Field1 f1 = f.getAnnotation(Field1.class);
        System.out.println(f1.columnName());
        System.out.println(f1.type());
        System.out.println(f1.length());
    }
}

@Table1("db_student")
class Student {
    @Field1(columnName = "db_id", type = "int", length = 10)
    private int id;
    @Field1(columnName = "db_name", type = "varchar", length = 3)
    private String name;
    @Field1(columnName = "db_age", type = "int", length = 10)
    private int age;
    
    //省略构造器和set/get方法
}

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@interface Table1 {
    String value();
}

@Target(ElementType.FIELD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@interface Field1 {
    String columnName();
    String type();
    int length();
}