深入Java类型信息：RTTI和反射

1.RTTI Run-Time Type Infomation 运行时类型信息

为什么需要RTTI？

越是优秀的面向对象设计，越是强调高内聚低耦合，正如依赖倒转原则所说：“无论是高层模块还是低层模块，都应该针对抽象编程”。

比如说我们有一个抽象父类：

Shape draw()

以下是三个具体类：

Circle draw()
Square draw()
Triangle draw()

某些情况下，我们持有Shape，但却远远不够——因为我们想要针对它的具体类型进行特殊处理，然而我们的设计完全针对抽象，所以在当前上下文环境中无法判断具体类型。
因为RTTI的存在，使得我们在不破坏设计的前提下得以达到目的。

Class类与Class对象

事实上，每一个类都持有其对应的Class类的对象的引用（Object类中的getClass()能让我们获取到它），其中包含着与类相关的信息。
非常容易注意到，针对每一个类，编译Java文件会生成一个二进制.class文件，这其中就保存着该类对应的Class对象的信息。

`.class`是用于供类加载器使用的文件

Java程序在运行之前并没有被完全加载，各个部分是在需要时才被加载的。

为了使用类而作的准备包含三步：

加载。由类加载器执行，查找字节码，创建一个Class对象。
链接。验证字节码，为静态域分配存储空间，如果必需的话，会解析这个类创建的对其他类的所有引用（比如说该类持有static域）。
初始化。如果该类有超类，则对其初始化，执行静态初始化器[注]和静态初始化块。

注：原文为static initializers，经查看Thinking in Java，其意应为静态域在定义处的初始化，如：
static Dog d = new Dog(0);。

所有的类都是在对其第一次使用时，动态加载到JVM中去的。当程序创建第一个对类的静态成员的引用时，JVM会使用类加载器来根据类名查找同名的.class——一旦某个类的Class对象被载入内存，它就被用来创建这个类的所有对象。构造器也是类的静态方法，使用new操作符创建新对象会被当作对类的静态成员的引用。
注意特例：如果一个static final值是编译期常量，读取这个值不需要对类进行初始化。所以说对于不变常量，我们总是应该使用static final修饰。

Class.forName(String str)

Class类有一个很有用的静态方法forName(String str)，可以让我们对于某个类不进行创建就得到它的Class对象的引用，例如这个样子：

try {
     Class toyClass = Class.forName("com.duanze.Toy"); // 注意必须使用全限定名
} catch (ClassNotFoundException e) {

}

然而，使用forName(String str)有一个副作用：如果Toy类没有被加载，调用它会触发Toy类的static子句（静态初始化块）。

与之相比，更好用的是类字面常量，像是这样:

Class toyClass = Toy.class;

支持编译时检查，所以不会抛出异常。使用类字面常量创建Class对象的引用与forName(String str)不同，不会触发Toy类的static子句（静态初始化块）。所以，更简单更安全更高效。
类字面常量支持类、接口、数组、基本数据类型。

×拓展×

Class.forName（String className）使用装载当前类的类装载器来装载指定类。因为class.forName(String className)方法内部调用了Class.forName(className, true, this.getClass().getClassLoader())方法，如你所见，第三个参数就是指定类装载器，显而易见，它指定的是装载当前类的类装载器的实例，也就是this.getClass().getClassLoader();

你可以选择手动指定装载器：

ClassLoader cl = new  ClassLoader();   
Class c1 = cl.loadClass(String className, boolean resolve );

更详细的参考

范化的`Class`引用

通过范型以及通配符，我们能对Class对象的引用进行类型限定，像是：

Class<Integer> intClass = int.class; // 注意右边是基本数据类型的类字面常量

这样做的好处是能让编译器进行额外的类型检查。
知道了这一点以后，我们可以把之前的例子改写一下：

Class toyClass = Toy.class;
Class<?> toyClass = Toy.class;

虽然这两句是等价的，但从可读性来说Class<?>要优于Class，这说明编程者并不是由于疏忽而选择了非具体版本，而是特意选择了非具体版本。

Class.newInstance()

既然拿到了包含着类信息的Class对象的引用，我们理应可以构造出一个类的实例。Class.newInstance()就是这样一个方法，比如：

// One
try {
    Class<?> toyClass = Class.forName("com.duanze.Toy"); 
    Object obj = toyClass.newInstance();
} catch (ClassNotFoundException e) {

}

// Two
Class<?> toyClass = Toy.class;
Object obj = toyClass.newInstance();

使用newInstance()创建的类，必须带有默认构造器。
由于toyClass仅仅只是一个Class对象引用，在编译期不具备更进一步的类型信息，所以你使用newInstance()时只会得到一个Object引用。如果你需要拿到确切类型，需要这样做：

Class<Toy> toyClass = Toy.class;
Toy obj = toyClass.newInstance();

但是，如果你遇到下面的情况，还是只能拿到Object引用：

Class<SubToy> subToyClass = SubToy.class;
Class<? super SubToy> upClass = subToy.getSuperclass(); // 希望拿到SubToy的父类Toy的Class对象引用
// This won't compile:
// Class<Toy> upClass = subToy.getSuperclass();
// Only produces Object:
Object obj = upClass.newInstance();

虽然从常理上来讲，编译器应该在编译期就能知道SubToy的超类是Toy，但实际上却并不支持这样写：

// This won't compile:
Class<Toy> upClass = subToy.getSuperclass();

而只能够接受：

Class<? super SubToy> upClass = subToy.getSuperclass(); // 希望拿到SubToy的父类Toy

这看上去有些奇怪，但现状就是如此，我们惟有接受。好在这并不是什么大问题，因为转型操作并不困难。

类型检查

在进行类型转换之前，可以使用instanceof关键字进行类型检查，像是：

if ( x instanceof Shape ) {
     Shape s = (Shape)x;
}

一般情况下instanceof已经够用，但有些时候你可能需要更动态的测试途径:Class.isInstance(Class clz):

Class<Shape> s = Shape.class;
s.isInstance(x);

可以看到，与instanceof相比，isInstance()的左右两边都是可变的，这一动态性有时可以让大量包裹在if else...中的instanceof缩减为一句。

2.反射

不知道你注意到了没有，以上使用的RTTI都具有一个共同的限制：在编译时，编译器必须知道所有要通过RTTI来处理的类。

但有的时候，你获取了一个对象引用，然而其对应的类并不在你的程序空间中，怎么办？（这种情况并不少见，比如说你从磁盘文件或者网络中获取了一串字串，并且被告知这一串字串代表了一个类，这个类在编译器为你的程序生成代码之后才会出现。）

Class类和java.lang.reflect类库一同对反射的概念提供了支持。反射机制并没有什么神奇之处，当通过反射与一个未知类型的对象打交道时，JVM只是简单地检查这个对象，看它属于哪个特定的类。因此，那个类的.class对于JVM来说必须是可获取的，要么在本地机器上，要么从网络获取。所以对于RTTI和反射之间的真正区别只在于：

RTTI，编译器在编译时打开和检查.class文件
反射，运行时打开和检查.class文件

明白了以上概念后，什么getFields(),getMethods(),getConstructors()之类的方法基本上全都可以望文生义了。

我们可以看一下Android开发中经常用的对于ActionBar，让Overflow中的选项显示图标这一效果是怎么做出来的：

/*
overflow中的Action按钮应不应该显示图标，
是由MenuBuilder这个类的setOptionalIconsVisible方法来决定的，
如果我们在overflow被展开的时候给这个方法传入true，
那么里面的每一个Action按钮对应的图标就都会显示出来了。
*/

@Override
public boolean onMenuOpened(int featureId, Menu menu) {
    if (featureId == Window.FEATURE_ACTION_BAR && menu != null) {
        if (menu.getClass().getSimpleName().equals("MenuBuilder")) {
            try {
                // Boolean.TYPE 同 boolean.class
                Method m = menu.getClass().getDeclaredMethod("setOptionalIconsVisible", Boolean.TYPE); 
                // 通过setAccessible(true)，确保可以调用方法——即使是private方法
                m.setAccessible(true);
                // 相当于：menu.setOptionalIconsVisible(true) 
                m.invoke(menu, true);
            } catch (Exception e) {
            }
        }
    }
    return super.onMenuOpened(featureId, menu);
}

×拓展：动态代理×

Java中对于反射的一处重要使用为动态代理，可以参考这篇IBM developerworks的文章