框架的底层知识--反射
众所周知，注解和反射是框架的底层知识，本人就是因为在 Spring动态代理时学习时觉得很懵逼，特意回来重新学习了一下反射和注解，并整理了相关笔记，希望对你们会有所帮助！
2、反射机制
1、静态 VS 动态语言
动态语言
- 是一类在运行时可以改变其结构的语言：例如新的函数、对象、甚至代码可以被引进，已有的函数可以被删除或是其他结构上的变化。通俗点说就是在运行时代码可以根据某些条件改变自身结构。
- 主要动态语言：Object-C、C#、JavaScript、PHP、Python 等
静态语言
- 与动态语言相对应的，运行时结构不可变的语言就是静态语言。如：Java、C、C++。
- Java 不是动态语言，但 Java 可以称之为“准动态语言”。即 Java 有一定的动态性，我们可以利用反射机制获得类似动态语言的特性。Java 的动态性让编程的时候更加灵活！
2、Java Reflection
Reflection（反射）是 Java 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），这个对象就包含了完整的类的结构信息。我们可以通过这个对象看到类的结构。这个对象就像一面镜子，透过这个镜子看到类的结构，所以，我们形象的称之为：反射！
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 --> 得到完整的包类名称
Java 反射机制提供的功能
- 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方法和变量
- 在运行时处理注解
- 生成动态代理 【Spring AOP】
- ……
Java 反射优点和缺点
优点：
- 可以实现动态创建对象和编译，体现出很大的灵活性。
缺点：
- 对性能有影响。使用反射基本上是一种解释操作，我们可以告诉 JVM，我们希望做什么并且它满足我们的要求。这类操作总是慢于直接执行相同的操作。
3、得到 Class 的几种方式
Class类：
对象照镜子后可以得到的信息：某个类的属性、方法和构造器、某个类到底实现了哪些接口。对于每个类而言，JRE 都为其保留了一个不变的 Class 类型对象。一个 Class 对象包含了特定某个结构（class/interface/enum/annotation/primitive type/void）的有关信息。
- 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 中的一个.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
- 通过Class 可以完整的得到一个类中的所有被加载的结构
- Class 类是 Reflection 的根源，针对任何你想动态加载、运行的类，唯有先获得相应的 Class 对象
获取 Class 类的实例
- 若已知具体的类，通过类的 class 属性获取，该方法最为安全可靠，程序性能最高。
Class c1 = 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 c1 = Person.getClass();
- 已知一个类的全类名，且该类在路径下，看通过 Class 类的静态方法 forName()获取，可能抛出 ClassNotFoundException
Class c1 = Class.forName("demo01.Student");
- 内置基本数据类型可以直接用.Type
- 还可以使用 ClassLoader
测试代码如下：
package cn.edu.zhku.reflection;
public class Test01 {
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
Person person = new Student();
System.out.println("这个人是" + person.name);
// 方式一:通过 getClass 的方式获得 Class 对象
Class c1 = person.getClass();
// 方式二:通过 类名.class 的方式获得
Class c2 = Student.class;
// 方式三:通过 forName 的方式获得
Class c3 = Class.forName("cn.edu.zhku.reflection.Student");
// 包装类型的获取
Class<Integer> c4 = Integer.TYPE;
// 判断获得的 class 对象是不是同一个对象
System.out.println(c1.hashCode());
System.out.println(c2.hashCode());
System.out.println(c3.hashCode());
System.out.println(c4);
}
}
class Person{
public String name;
public Person() {
}
public Person(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public String toString() {
return "Person{" +
"name='" + name + '\'' +
'}';
}
}
class Student extends Person{
public Student(){
this.name = "学生";
}
}
输出结果：
这个人是学生
1229416514
1229416514
1229416514
int
4、类加载内存分析
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。
类的加载和 ClassLoader 的理解
- 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，然后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 的运行状态之中的过程。
- 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化的阶段，这些内存都将在方法区中进行分配。
- 解析：虚拟机常量池内的符号引用（变量名）替换为直接引用（地址）的过程。
- 初始化：
- 执行类构造器
() () - 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有初始化，则需要先触发其父类的初始化。
- 虚拟机会保证一个类的
()
- 执行类构造器
测试代码
public class Test02 {
public static void main(String[] args) {
A a = new A();
System.out.println(a.m);
}
}
class A{
static {
System.out.println("这是静态代码块");
m = 300;
}
/*
m = 300
m = 100
进行覆盖了
*/
static int m = 100;
public A() {
System.out.println("这是构造方法");
}
}
输出结果：
这是静态代码块
这是构造方法
100
分析执行步骤：
-
加载到内存，会产生一个类对应 Class 的对象
-
通过链接初始化变量，m = 0
-
初始化
clinit()- 先执行静态代码块
clinit(){ System.out.println("这是静态代码块"); // 然后 m = 300; }- 然后执行构造方法
System.out.println("这是构造方法");- 然后执行 static int m = 100；对之前的 m 的值进行了覆盖。
5、分析类初始化
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，则先会初始化它的父类
- 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。如：当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）
测试代码如下：
public class Test03 {
static {
System.out.println("Main被加载");
}
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
//Son son = new Son();
/**
* 输出结果:
* Main被加载
* 父类被加载
* 子类被加载
*/
// 通过反射进行类初始化
//Class.forName("cn.edu.zhku.reflection.Son");
/**
* 输出结果:
* Main被加载
* 父类被加载
* 子类被加载
*/
//System.out.println(Son.father);
/**
* 输出结果:
* Main被加载
* 父类被加载
* 1
*/
System.out.println(Son.SON);
/**
* 输出结果:
* Main被加载
* 50
*/
}
}
class Father{
static {
System.out.println("父类被加载");
}
static int father = 1;
}
class Son extends Father{
static {
System.out.println("子类被加载");
son = 300;
}
static int son = 100;
static final int SON = 50;
}
6、类加载器的作用
- 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
类加载器作用是用来把 class 装载进内存的。JVM 规范定义了如下类型的类的加载器。
Java核心库在 rt.jar 中
测试代码：
// 类加载器
public class Test04 {
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
// 获取系统类的加载器
ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
System.out.println(systemClassLoader);
// 获取系统类加载器的父类加载器 --> 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加载器 --> 根加载器(C/C++写的)
ClassLoader parent1 = parent.getParent();
System.out.println(parent1);
// 测试当前类是哪个类加载加载的
ClassLoader classLoader = Class.forName("cn.edu.zhku.reflection.Test04").getClassLoader();
System.out.println(classLoader);
// 测试jdk 内部类是哪个类加载加载的
classLoader = Class.forName("java.lang.Object").getClassLoader();
System.out.println(classLoader);
}
}
输出结果如下：
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@49476842
null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
null
执行步骤：用户加载器（AppClassLoader） --> 扩展加载器（ExtClassLoader） --> 根加载器（RootClassLoader）
7、获得类的运行时结构
通过反射获取运行时类的完整结构包括以下这些：
Field、Method、Constructor、SuperClass、Interface、Annotation
- 实现的全部接口
- 所继承的父类
- 全部的构造器
- 全部的方法
- 全部的 Field
- 注解
import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Method;
// 获得类的信息
public class Test05 {
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException, NoSuchMethodException {
Class c1= Class.forName("cn.edu.zhku.reflection.User");
// 获得类的名字 包名 + 类名
System.out.println(c1.getName());
// 获得类的简单名字 类名
System.out.println(c1.getSimpleName());
// 获得类的属性
/**
* getFields();只能获取 public 属性
* getDeclaredFields();可以获取全部的属性
*/
System.out.println("===================");
Field[] fields = c1.getFields();
fields = c1.getDeclaredFields();
for (Field field : fields) {
System.out.println(field);
}
// 获得指定属性的值
Field name = c1.getDeclaredField("name");
System.out.println(name);
// 获得类的方法
System.out.println("===================");
Method[] methods = c1.getMethods();//获得本类及其父类的全部 public 方法
for (Method method : methods) {
System.out.println("正常的:" + method);
}
methods = c1.getDeclaredMethods(); // 获得本类的所有方法
for (Method method : methods) {
System.out.println("getDeclaredMethods" + method);
}
// 获得指定方法
Method getName = c1.getDeclaredMethod("getName", null);
System.out.println(getName);
Method setName = c1.getDeclaredMethod("setName", String.class);
System.out.println(setName);
// 获得指定的构造器
System.out.println("===================");
Constructor[] constructors = c1.getConstructors();
for (Constructor constructor : constructors) {
System.out.println(constructor);
}
constructors = c1.getDeclaredConstructors();
for (Constructor constructor : constructors) {
System.out.println("----" + constructor);
}
//获得指定的构造器
Constructor declaredConstructor = c1.getDeclaredConstructor(String.class, int.class, int.class);
System.out.println("指定的构造器" + declaredConstructor);
}
}
@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
class User{
private String name;
private int id;
private int age;
小结：
- 在实际的操作中，取得类的信息的操作代码，并不会经常开发。
- 一定要熟悉 java.lang.reflect 包的作用，反射机制。
- 如何取得属性、方法、构造器的名称，修饰符等。
8、动态创建对象执行方法
有了 Class 对象，能做什么？
- 创建类的对象：调用 Class 对象的
newInstance()方法- 类必须有一个无惨构造器。
- 类的构造器的访问权限需要足够
测试代码：
User.java
@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
class User{
private String name;
private int id;
private int age;
}
Test06.java
// 动态的创建对象,通过反射
public class Test06 {
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {
Class c1 = Class.forName("cn.edu.zhku.reflection.User");
// 构造一个对象
User user = (User) c1.newInstance(); // 本质上是调用了类的无参构造器
System.out.println(user);
}
}
输出结果：
User(name=null, id=0, age=0)
思考？
难道没有无参的构造器就不能创建对象了吗？把生成无参构造器的这个注解@NoArgsConstructor去掉后，测试发现抛出了异常信息java.lang.InstantiationException
怎么解决呢？
其实只要在操作的时候明确的调用类中的构造器并将参赛传递进去之后，才可以实例化操作。
步骤如下：
- 通过 Class 类的 getDeclaredConstructor(Class … parameterTypes)取得本类的指定形参类型的构造器。
- 向构造器的形参中传递一个对象数组进去，里面包含了构造器中所需的各个参数。
- 通过 Constructor 实例化对象。
测试代码如下：
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
// 动态的创建对象,通过反射
public class Test06 {
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException {
Class c1 = Class.forName("cn.edu.zhku.reflection.User");
// 通过构造器创建对象
Constructor constructor = c1.getDeclaredConstructor(String.class, int.class, int.class);
User user = (User) constructor.newInstance("白衣",001,18);
System.out.println(user);
}
}
输出结果：
User(name=白衣, id=1, age=18)
通过反射操作类对应的属性
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
// 动态的创建对象,通过反射
public class Test06 {
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException, NoSuchFieldException {
Class c1 = Class.forName("cn.edu.zhku.reflection.User");
// 通过反射调用普通方法
User user = (User) c1.newInstance();
// 通过反射获得一个方法
Method setName = c1.getDeclaredMethod("setName", String.class);
// invoke:激活,调用的意思 (对象,"方法的值")
setName.invoke(user, "白衣");
System.out.println(user.getName());
// 通过反射操作属性
System.out.println("=============");
User user2 = (User) c1.newInstance();
Field name = c1.getDeclaredField("name");
// 不能直接操作私有属性,我们需要关闭程序的安全监测,需要设置 setAccessible(true) 才可以
name.setAccessible(true);
name.set(user2,"白衣2");
System.out.println(user2);
}
}
小结：
- 当我们程序如果有无参构造时，可以直接使用 newInstance()方法进行创建对象
- 如果没有无参构造时，需要通过 Class 类的 getDeclaredConstructor(Class … parameterTypes)取得本类的指定形参类型的构造器。向构造器的形参中传递一个对象数组进去，里面包含了构造器中所需的各个参数。通过 Constructor 实例化对象。
- 如果对应的字段为私有属性时，需要使用 setAccessible(true)进行禁止访问安全开关。
setAccessible
- Method 和 Field、Constructor 对象都有
setAccessible()方法。 - setAccessible 作用是启动和禁用访问安全检查的方法。
- 参数值为 true 则指示反射的对象在使用时应该取消 Java 语言访问检查。
- 提高反射的效率。如果代码中必须使用反射，而该句代码需要频繁的被调用，那么请设置为 true。
- 使得原本无法访问的私有成员也可以被访问。
- 参数值为 false 则指示反射的对象应该实施 Java 语言访问检查。
9、性能对比分析
根据普通方式、反射方式、反射方式+关闭检测进行性能分析：
测试代码：
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
// 分析性能问题
public class Test07 {
// 普通方式调用
public static void test01(){
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10亿次:" + (endTime - startTime) + "ms");
}
// 反射方式调用
public static void test02() throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {
User user = new User();
Class c1 = user.getClass();
Method getName = c1.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10亿次:" + (endTime - startTime) + "ms");
}
// 反射方式调用 关闭检测
public static void test03() throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {
User user = new User();
Class c1 = user.getClass();
Method getName = c1.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("关闭资源方式执行10亿次:" + (endTime - startTime) + "ms");
}
public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException {
test01();
test02();
test03();
}
}
测试结果：
普通方式执行10亿次:4ms
反射方式执行10亿次:2664ms
关闭资源方式执行10亿次:1666ms
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
-
为了通过反射操作这些类型，Java 新增了 ParameterizedType，GenericArrayType，TypeVariable 和 WildcardType 几种类型来代表不能被归一到Class 类中的类型但是又和原始类型齐名的类型。
-
ParameterizedType：表示一种参数化类型，比如
Collection -
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：是各种类型变量的公关父接口
-
WildcardType：代表一种通配符类型表达式
测试代码：
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.ParameterizedType;
import java.lang.reflect.Type;
import java.util.List;
import java.util.Map;
// 通过反射获取泛型
public class Test08 {
public void test01(Map<String,User> map, List<User> list){
System.out.println("test01");
}
public Map<String,User> test02(){
System.out.println("test02");
return null;
}
public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException {
Method method = Test08.class.getMethod("test01", Map.class, List.class);
Type[] genericParameterTypes = method.getGenericParameterTypes();
for (Type genericParameterType : genericParameterTypes) {
System.out.println("#" + genericParameterType);
if (genericParameterType instanceof ParameterizedType){
Type[] actualTypeArguments = ((ParameterizedType) genericParameterType).getActualTypeArguments();
for (Type actualTypeArgument : actualTypeArguments) {
System.out.println(actualTypeArgument);
}
}
}
method = Test08.class.getMethod("test02", null);
Type genericReturnType = method.getGenericReturnType();
if (genericReturnType instanceof ParameterizedType){
Type[] actualTypeArguments = ((ParameterizedType) genericReturnType).getActualTypeArguments();
for (Type actualTypeArgument : actualTypeArguments) {
System.out.println(actualTypeArgument);
}
}
}
}
11、反射操作注解
import java.lang.annotation.*;
import java.lang.reflect.Field;
// 练习反射操作注解
public class Test09 {
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException {
Class c1 = Class.forName("cn.edu.zhku.reflection.Student2");
// 通过反射获得注解
Annotation[] annotations = c1.getAnnotations();
for (Annotation annotation : annotations) {
System.out.println(annotation); // @cn.edu.zhku.reflection.TableTest(value=db_student)
}
// 获得注解的 value 值
TableTest tableTest = (TableTest) c1.getAnnotation(TableTest.class);
System.out.println(tableTest.value()); //db_student
// 获得类指定注解
Field name = c1.getDeclaredField("name");
FieldTest annotation = name.getAnnotation(FieldTest.class);
System.out.println(annotation.columnName());
System.out.println(annotation.type());
System.out.println(annotation.length());
/**
* 输出结果
* db_name
* String
* 3
*/
}
}
@TableTest("db_student")
class Student2{
@FieldTest(columnName = "db_id",type = "int",length = 10)
private int id;
@FieldTest(columnName = "db_age",type = "int",length = 10)
private int age;
@FieldTest(columnName = "db_name",type = "String",length = 3)
private String name;
public Student2() {
}
public Student2(int id, int age, String name) {
this.id = id;
this.age = age;
this.name = name;
}
public int getId() {
return id;
}
public void setId(int id) {
this.id = id;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public String toString() {
return "Student2{" +
"id=" + id +
", age=" + age +
", name='" + name + '\'' +
'}';
}
}
// 类名的注解
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@interface TableTest{
String value();
}
// 属性的注解
@Target(ElementType.FIELD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@interface FieldTest{
String columnName();
String type();
int length();
}
小结：
- 如果想要获得类的注解，那么就是通过类的反射进行获取
- 获取类对应注解的值，需要通过 Class.getAnnotation(“注解名称”).value 进行获取
- 如果想要获取类指定属性的注解，需要先通过
Class.getDeclaredField(属性名).getAnnotation(字段对应的注解名)。
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