【Java高级编程】Java反射机制

1、反射的概述

1.1、本章的主要内容

• Java反射机制概述
• 理解Class类并获取Class实例
• 类的加载与ClassLoader的理解
• 创建运行时类的对象
• 获取运行时类的完成结构
• 调用运行时类的指定结构
• 反射的应用：动态代理

1.2、关于反射的理解

• Reflection（反射）是被视为动态语言的关键，反射机制允许程序在执行期借助于Reflection API取得任何类的内部信息，并能直接操作任意对象的内容属性及方法。

框架 = 反射 + 注解 + 设计模式

1.3、体会反射机制的“动态性”

/**
 * 体会反射的动态性
 */
@Test
public void test2 () {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        int num = new Random().nextInt(3);
        String classPath = "";
        switch (num) {
            case 0:
                classPath = "java.util.Date";
                break;
            case 1:
                classPath = "java.lang.Object";
                break;
            case 2:
                classPath = "com.atguigu.java.Person";
                break;
        }

        try {
            Object obj = getInstance(classPath);
            System.out.println(obj);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
/**
 * 创建一个指定类的对象
 * @param classPath 指定类的全类名
*/
public Object getInstance(String classPath) throws Exception {
Class clazz = Class.forName(classPath);
return  clazz.newInstance();
}

1.4、反射机制能提供的功能

• 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
• 在运行时获取泛型信息
• 在运行时调用任意一个对象的成员变量和方法
• 在运行时处理注解
• 生成动态代理

1.5、相关API

• java.lang.Class：反射的源头
• java.lang.reflect.Method
• java.lang.reflect.Field
• java.lang.reflect.Constructor

2、Class类的理解与获取Class的实例

2.1、Class类的理解

• 类的加载过程
  • 程序经过javac.exe命令以后，会生成一个或多个字节码文件(.class结尾)。接着我们使用java.exe命令对某个字节码文件进行解释运行。相当于将某个字节码文件加载到内存中。此过程就称为类的加载。加载到内存中的类，我们就称为运行时类，此运行时类，就作为Class的一个实例。
• 换句话说，Class的实例就对应着一个运行时类
• 加载到内存中的运行时类，会缓存一定的时间。在此时间之内，我们可以通过不同的方式来获取此运行时类。

2.2、获取Class实例的几种方式

@Test
public void test3() throws ClassNotFoundException {
    // 方式一：调用运行时类的属性：.class
    Class clazz1 = Person.class;
    System.out.println(clazz1);
    // 方式二：通过运行时类的对象，调用getClass()
    Person p1 = new Person();
    Class clazz2 = p1.getClass();
    System.out.println(clazz2);
    // 方式三：调用Class的静态方法：forName(String classPath)
    Class clazz3 = Class.forName("com.atguigu.java.Person");
    System.out.println(clazz3);
    // 方式四：使用类的加载器：ClassLoader(了解)
    ClassLoader classLoader = ReflectionTest.class.getClassLoader();
    Class clazz4 = classLoader.loadClass("com.atguigu.java.Person");
    System.out.println(clazz4);

    System.out.println(clazz1 == clazz2);// true
    System.out.println(clazz1 == clazz3);// true
    System.out.println(clazz1 == clazz4);// true
}

2.3、总结：创建类的对象的方式

• 方式一：new + 构造器
• 方式二：要创建Xxx类的对象，可以考虑：Xxx、Xxxs、XxxFactory、XxxBuilder类中查看是否有静态方法的存在。可以调用其静态方法，创建Xxx对象
• 方式三：通过反射

2.4、Class实例可以是哪些结构的说明

• class：外部类，成员（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
• enum：枚举
• annotation：注解@interface
• primitive type：基本数据类型
• void

3、了解ClassLoader

3.1、类的加载过程（了解）

• 当程序主动使用某个类时，如果该类还未被加载到内存中，则系统会通过如下三个步骤来对该类进行初始化。
  • 类的加载：将类的class文件读入内存，并为之创建一个java.lang.Class对象。此过程由类加载器完成
  • 类的链接：将类的二进制数据合并到JRE中
  • 类的初始化：JVM负责对类进行初始化

3.2、类的加载器的作用

• 类加载的作用：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成方法区的运行时数据结构，然后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。不过JVM垃圾回收机制可以回收这些Class对象。

3.3、类的加载器的分类

• 引导类加载器：用C++编写的，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包或-D java.ext.dirs指定目录下的jar包装入工作库
• 系统类加载器：负责java -classpath 或 -D java.class.path所指的目录下的类与jar包装入工作，是最常用的加载器

3.4、Java类编译、运行的执行过程

3.5、使用Classloader加载src目录下的配置文件

@Test
public void test2() throws Exception {
    Properties pros = new Properties();
    // 读取配置文件的方式一：
    // FileInputStream fis = new FileInputStream("src\\jdbc1.properties");
    // pros.load(fis);
    // 读取配置文件的方式二：
    ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
    InputStream is = classLoader.getResourceAsStream("jdbc1.properties");
    pros.load(is);

    String user = pros.getProperty("user");
    String password = pros.getProperty("password");
    System.out.println("user = " + user + ",password = " + password);
}

4、反射应用一：创建运行时类的对象

• newInstance()：调用此方法，创建对应的运行时类的对象。内部调用了运行时类的空参的构造器
• 要想此方法正常的创建运行时类的对象，要求：
  • 1、运行时类必须提供空参的构造器
  • 2、空参的构造器的访问权限得够。通常，设置为public
• 在JavaBean中要求提供一个public的空参构造器。原因：
  • 1、便于通过反射，创建运行时类的对象
  • 2、便于子类继承此运行时类时，默认调用super()时，保证父类有此构造器

@Test
public void test1() throws InstantiationException, IllegalAccessException {
    Class<Person> clazz = Person.class;

    Person person = clazz.newInstance();
    System.out.println(person);
}

5、反射应用二：获取运行时类的完整结构

5.1、获取属性

@Test
public void test1() {
    Class clazz = Person.class;
    // 获取属性结构
    // getFields()：获取当前运行时类及其父类中声明为public访问权限的属性
    Field[] fields = clazz.getFields();
    for (Field f : fields) {
        System.out.println(f);
    }
    System.out.println();
    // getDeclaredFields()：获取当前运行时类中声明的所有属性。（不包含父类中声明的属性）
    Field[] declaredFields = clazz.getDeclaredFields();
    for (Field f : declaredFields) {
        System.out.println(f);
    }
}

5.2、获取方法

@Test
public void test1 () {
    Class clazz = Person.class;
    // getMethods()：获取当前运行时类及其所有父类中声明为public权限的方法
    Method[] methods = clazz.getMethods();
    for (Method m : methods) {
        System.out.println(m);
    }
    System.out.println();
    // getDeclaredMethods()：获取当前运行时类中声明的所有方法。（不包含父类中声明的方法）
    Method[] declaredMethods = clazz.getDeclaredMethods();
    for (Method m : declaredMethods) {
        System.out.println(m);
    }
}

5.3、获取其他结构

/**
 * 获取构造器结构
 */
@Test
public void test1 () {
    Class clazz = Person.class;
    // getConstructors()：获取当前运行时类中声明为public的构造器
    Constructor[] constructors = clazz.getConstructors();
    for (Constructor c : constructors) {
        System.out.println(c);
    }
    System.out.println();
    // getDeclaredConstructors()：获取当前运行时类中声明的所有构造器
    Constructor[] declaredConstructors = clazz.getDeclaredConstructors();
    for (Constructor c : declaredConstructors) {
        System.out.println(c);
    }
}
/**
 * 获取运行时类的父类
 */
@Test
public void test2 () {
    Class clazz = Person.class;
    Class superclass = clazz.getSuperclass();
    System.out.println(superclass);
}
/**
 * 获取运行时类的带泛型的父类
 */
@Test
public void test3 () {
    Class clazz = Person.class;
    Type genericSuperclass = clazz.getGenericSuperclass();
    System.out.println(genericSuperclass);
}
/**
 * 获取运行时类的带泛型的父类的泛型
 */
@Test
public void test4 () {
    Class clazz = Person.class;
    Type genericSuperclass = clazz.getGenericSuperclass();
    ParameterizedType paramType = (ParameterizedType) genericSuperclass;
    // 获取泛型类型
    Type[] actualTypeArguments = paramType.getActualTypeArguments();
    for (Type type : actualTypeArguments) {
        System.out.println(type.getTypeName());
    }
}
/**
 * 获取运行时类实现的接口
 */
@Test
public void test5 () {
    Class clazz = Person.class;
    Class[] interfaces = clazz.getInterfaces();
    for (Class c : interfaces) {
        System.out.println(c);
    }
    System.out.println();
    //获取运行时类的父类实现的接口
    Class[] interfaces1 = clazz.getSuperclass().getInterfaces();
    for (Class c : interfaces1) {
        System.out.println(c);
    }
}
/**
 * 获取运行时类所在的包
 */
@Test
public void test6 () {
    Class clazz = Person.class;
    Package pack = clazz.getPackage();
    System.out.println(pack);
}
/**
 * 获取运行时类声明的注解
 */
public void test7 () {
    Class clazz = Person.class;
    Annotation[] annotations = clazz.getAnnotations();
    for (Annotation annos : annotations) {
        System.out.println(annos);
    }
}

6、反射应用三：调用运行时类的指定结构

6.1、调用指定的属性

@Test
    public void testField1 () throws Exception {
        Class clazz = Person.class;
        // 创建运行时类的对象
        Person p = (Person) clazz.newInstance();
        // 1、getDeclaredField(String fieldName)：获取运行时类中指定变量名的属性
        Field name = clazz.getDeclaredField("name");
        // 2、保证当前属性时可访问的
        name.setAccessible(true);
        // 3、获取、设置指定对象的此属性值
        name.set(p, "Tom");
        System.out.println(name.get(p));
    }

6.2、调用指定的方法

@Test
public void testMethod () throws Exception {
    Class clazz = Person.class;
    // 创建运行时类的对象
    Person p = (Person) clazz.newInstance();
    // 1、获取指定的某个方法
    // getDeclaredMethod()：参数1指明获取的方法的名称 参数2指明获取的方法的形参类型
    Method show = clazz.getDeclaredMethod("show", String.class);
    // 2、保证当前方法是可访问的
    show.setAccessible(true);
    // 3、调用方法的invoke()：参数1方法的调用者 参数2给方法形参赋值的实参
    // invoke()的返回值即为对应类中调用的方法的返回值
    Object returnValue = show.invoke(p, "CHN");
    System.out.println(returnValue);
    // 如何调用静态方法
    Method showDesc = clazz.getDeclaredMethod("showDesc");
    showDesc.setAccessible(true);
    // 如果调用的运行时类中的方法没有返回值，则此invoke()返回null
    // Object returnVal = showDesc.invoke(null);
    Object returnVal = showDesc.invoke(Person.class);
    System.out.println(returnVal);
}

6.3、调用指定的构造器

@Test
public void testConstructor() throws Exception {
    Class clazz = Person.class;
    // 1、获取指定的构造器
    // getDeclaredConstructor()：参数指明构造器的参数列表
    Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class);
    // 2、保证此构造器是可访问的
    constructor.setAccessible(true);
    // 3、调用此构造器创建运行时类的对象
    Person per = (Person) constructor.newInstance("Tom");
    System.out.println(per);
}

7、反射应用四：动态代理

7.1、代理模式的原理

• 使用一个代理将对象包装起来，然后用该代理对象取代原始对象。任何对原始对象的调用都要通过代理。代理对象决定是否以及何时将方法调用转到原始对象上。

7.2、静态代理

// 被代理类
Class MyThread implements Runnable () {}
// 代理类
Class Thread implements Runnable() {}
// 代理操作
main () {
    MyThread t = new MyThread();
    Thread thread = new Thread(t);
    thread.start();// 启动线程；调用线程的run()
}

• 静态代理的缺点
  • 代理类和目标对象的类都是在编译期间确定下来，不利于程序的扩展。
  • 每一个代理类只能为一个接口服务，这样一来程序开发中必然产生过多的代理。

7.3、动态代理的特点

• 动态代理是指客户通过代理类来调用其它对象的方法，并且是在程序运行时根据需要动态创建目标类的代理对象。

7.4、动态代理的实现

• 需要解决的两个主要问题：
  • 问题一：如何根据加载到内存中的被代理类，动态创建一个代理类及其对象 --> 通过Proxy.newProxyInstance()实现
  • 问题二：当通过代理类的对象调用方法a时，如何动态的去调用被代理类中的同名方法a --> 通过InvocationHandler接口的实现类及其方法invoke()

/**
 * 动态代理体会：反射的动态性
 */
interface Human {
    String getBelief();
    void eat(String food);
}
// 被代理类
class SuperMan implements Human {
    @Override
    public String getBelief() {
        return "I believe I can fly!";
    }
    @Override
    public void eat(String food) {
        System.out.println("我喜欢吃" + food);
    }
}
class HumanUtil {
    public void method1 () {
        System.out.println("=======通用方法一=======");
    }
    public void method2 () {
        System.out.println("=======通用方法二=======");
    }
}
class ProxyFactory {
    // 调用此方法，返回一个代理类的对象。解决问题一
    public static Object getProxyInstance(Object obj) {// obj：被代理类的对象
        MyInvocationHandler handler = new MyInvocationHandler();
        handler.bind(obj);
        return Proxy.newProxyInstance(obj.getClass().getClassLoader(), obj.getClass().getInterfaces(), handler);
    }
}
class MyInvocationHandler implements InvocationHandler {
    private Object obj;// 需要使用被代理类的对象进行赋值
    public void bind(Object obj) {
        this.obj = obj;
    }
    // 当我们通过代理类的对象，调用方法a时，就会自动的调用如下的方法：invoke()
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        HumanUtil util = new HumanUtil();
        util.method1();
        // method：即为代理类对象调用的方法，此方法也就作为了被代理类对象要调用的方法
        // obj：被代理类的对象
        Object returnValue = method.invoke(obj, args);
        util.method2();
        // 上述方法的返回值就作为当前类中的invoke()返回值
        return returnValue;
    }
}
public class ProxyTest {
    public static void main(String[] args) {
        SuperMan superMan = new SuperMan();
        // proxyInstance：代理类的对象
        Human proxyInstance = (Human) ProxyFactory.getProxyInstance(superMan);
        // 当通过代理类对象调用方法时，会自动的调用被代理类中同名的方法
        String belief = proxyInstance.getBelief();
        System.out.println(belief);
        proxyInstance.eat("四川麻辣烫");
    }
}