19.java类的加载和反射

类的加载

当一个Java程序启动时，JVM会启动，并且负责执行Java字节码。类加载过程是在程序运行期间动态加载类的字节码到JVM中，使得程序能够调用这些类的方法和访问其字段。下面是类加载过程的详细步骤：

1. 加载（Loading）：

   • 类加载器的选择： 类加载器根据类的全限定名（fully qualified name）定位并加载类的字节码文件。Java中有三种主要的类加载器：启动类加载器（Bootstrap Class Loader）、扩展类加载器（Extension Class Loader）、应用程序类加载器（Application Class Loader）。
   • 查找类文件： 类加载器根据类的全限定名查找对应的类文件。这个过程可以在本地文件系统、网络中，或者其他来源中进行。
   • 创建类的二进制表示： 读取类文件的二进制数据，然后将其转换为内部表示形式，通常存储在方法区（Method Area）中。

2. 连接（Linking）：

   • 验证（Verification）： 验证类的字节码是否符合Java虚拟机规范，以确保其是合法且安全的。验证的过程包括对类结构、字段、方法等方面的检查。
   • 准备（Preparation）： 为类的静态变量分配内存空间，并设置默认初始值。这里并不包括对变量赋初值的过程，赋值操作将在后面的初始化阶段进行。
   • 解析（Resolution）： 将类中的符号引用转化为直接引用。符号引用包括类和接口的全限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符等。解析的过程是将这些符号引用转换为在内存中直接指向目标的引用。

3. 初始化（Initialization）：

   • 在这个阶段，类的静态变量将会被赋予程序中定义的值。
   • 执行静态代码块（static block）中的代码。这些代码块通常包含一些类初始化时需要执行的逻辑。

需要注意的是，类的初始化是被延迟执行的。具体来说，只有在对类的静态变量进行赋值或静态方法/块被调用时，才会触发类的初始化。这种延迟加载的机制有助于提高程序性能，因为不是所有的类都在程序启动时被加载和初始化。

总体而言，类加载过程是Java虚拟机在运行时动态加载类的字节码文件，连接阶段将符号引用解析为直接引用，并在初始化阶段为类的静态变量赋值，执行静态代码块。这个过程使得Java程序能够在运行时动态加载和使用类。

类初始化

在Java中，类的初始化是一个懒加载的过程，只有在需要的时候才会进行。以下是一些操作会触发类的初始化的情况：

1. 创建类的实例：

   • 当通过 new 关键字创建类的实例时，将触发类的初始化。这包括直接实例化对象或者通过反射创建对象。

   MyClass obj = new MyClass(); // MyClass 类的初始化将会被触发
   

2. 访问类的静态变量：

   • 当访问一个类的静态变量时，如果该类尚未被初始化，将触发其初始化。

   int value = MyClass.staticVariable; // MyClass 类的初始化将会被触发
   

3. 调用类的静态方法：

   • 当调用一个类的静态方法时，如果该类尚未被初始化，将触发其初始化。

   int result = MyClass.calculate(); // MyClass 类的初始化将会被触发
   

4. 使用反射操作类：

   • 通过反射机制访问类的方法、字段、构造器等，如果类尚未被初始化，将触发其初始化。

   Class<?> clazz = Class.forName("MyClass"); // MyClass 类的初始化将会被触发
   

5. 初始化子类：

   • 当一个类的子类被初始化时，其父类也将被初始化。

   class SubClass extends MyClass {
       // MyClass 类和 SubClass 类都会被初始化
   }
   

需要注意的是，对于一个类而言，它的初始化是被延迟的，即只有在真正需要初始化的时候才会进行。这种懒加载的机制有助于提高程序的性能，因为不是所有的类都在程序启动时被加载和初始化。

在Java中，并非所有使用类的操作都会导致类的初始化。以下是一些使用类的操作，不会触发类的初始化的情况：

1. 访问类的常量：

   • 访问类的常量（使用 final 修饰的基本类型或字符串），不会触发类的初始化。

   public class MyClass {
       public static final int CONSTANT = 42;
   }
   
   // 访问常量不会触发类的初始化
   int value = MyClass.CONSTANT;
   

2. 通过数组定义类引用：

   • 通过数组定义类引用，不会触发类的初始化。

   MyClass[] array = new MyClass[5]; // 不会触发 MyClass 类的初始化
   

3. 引用类的静态变量，但不对其进行赋值操作：

   • 仅仅引用类的静态变量而不对其进行赋值操作，不会触发类的初始化。

   int value = MyClass.staticVariable; // 不会触发 MyClass 类的初始化
   

4. 使用类的类字面常量：

   • 使用类的类字面常量（MyClass.class），不会触发类的初始化。

   Class<?> clazz = MyClass.class; // 不会触发 MyClass 类的初始化
   

5. 调用父类的静态变量或静态方法：

   • 当只访问父类的静态变量或静态方法时，并不会触发子类的初始化。

   int parentValue = ParentClass.staticVariable; // 不会触发 ParentClass 类的初始化
   

总体来说，访问类的静态常量、通过数组定义类引用、引用类的静态变量而不赋值、使用类的类字面常量、调用父类的静态变量或静态方法等操作，并不会导致类的初始化。这种行为使得Java虚拟机能够按需加载和初始化类，提高程序的性能。

类加载器

Java类加载器（Class Loader）是Java运行时环境的一部分，负责将类的字节码加载到内存中，使得Java程序能够运行。类加载器通常负责从文件系统、网络或其他来源加载类的字节码，并将其转换为Java虚拟机可用的类对象。

Java虚拟机中的类加载器体系是一个层次结构，主要包括以下几种类加载器：

1. 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：

   • 它是Java虚拟机的一部分，是用本地代码实现的加载器，负责加载Java核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar或者modules）。
   • 启动类加载器是虚拟机的一部分，它不是一个Java对象，因此在Java中无法直接获取对启动类加载器的引用。

2. 扩展类加载器（Extension Class Loader）：

   • 扩展类加载器是sun.misc.Launcher$ExtClassLoader的实例，负责加载Java扩展库（JAVA_HOME/jre/lib/ext或者由系统变量java.ext.dirs指定的目录）。
   • 扩展类加载器是系统类加载器的父类。

3. 应用程序类加载器（Application Class Loader）：

   • 也被称为系统类加载器，是sun.misc.Launcher$AppClassLoader的实例。
   • 应用程序类加载器负责加载应用程序类路径上指定的类库。应用程序类路径通常通过环境变量CLASSPATH或者通过 -classpath（或 -cp）命令行选项指定。

4. 自定义类加载器（Custom Class Loader）：

   • Java允许用户自定义类加载器，继承自ClassLoader类，通过重写findClass方法实现自定义的类加载逻辑。
   • 自定义类加载器通常用于加载非标准的类文件，例如从数据库、网络或其他非传统来源加载类。

类加载器之间形成了一个层次结构，每个类加载器都有一个父加载器。当需要加载类时，先尝试使用当前类加载器加载，如果加载失败，则委托给其父加载器，依次递归，直到达到启动类加载器。这种委托机制被称为“双亲委派模型”。

类加载器的工作可以被简化为以下几个步骤：

1. 加载（Loading）： 查找并加载类的字节码。
2. 连接（Linking）： 将类的二进制数据合并到虚拟机中，包括验证、准备和解析三个阶段。
3. 初始化（Initialization）： 执行类的初始化代码，包括静态变量的赋值和静态代码块的执行。

通过类加载器的灵活使用，Java实现了动态加载和运行时扩展的能力，使得程序具有更高的灵活性和可维护性。

反射

反射是Java语言的一项强大特性，它提供了在运行时检查和操作类的能力。虽然反射使用不当可能导致性能问题和类型安全问题，但它在一些情况下是非常有用的，以下是一些使用反射的典型场景：

1. 动态加载类：

   • 可以在运行时加载一些未知的类，这对于实现插件系统、动态配置和模块化设计是非常有用的。

2. 运行时类型检查：

   • 在编译时无法确定要使用的类时，可以使用反射来在运行时进行类型检查和操作。

3. 工具和框架设计：

   • 许多框架和工具（例如Spring框架、Hibernate ORM）使用反射来实现通用的、灵活的解决方案。例如，Spring的依赖注入就是通过反射来实现的。

4. 编写通用代码：

   • 有时候需要编写通用的代码，能够处理多个不同类型的类。反射提供了一种通用的访问类信息的方式。

5. 调试和开发工具：

   • 反射允许在运行时查看和修改类的结构，这对于调试和开发工具的开发非常有帮助。

6. 动态代理：

   • 反射使得实现动态代理变得更加容易，这在AOP（面向切面编程）等方面非常有用。

7. 读取注解信息：

   • 通过反射可以读取类、字段、方法等上的注解信息，从而实现一些元编程的功能。

8. 序列化和反序列化：

   • 对象的序列化和反序列化通常需要动态地了解对象的结构，反射提供了一种机制来实现这一点。

虽然反射提供了很大的灵活性，但它也应该谨慎使用。由于反射涉及到在运行时才能获得的信息，因此可能导致性能下降和类型安全问题。在不需要时，最好避免使用反射，而应该优先选择更静态、类型安全的编程方式。

获取反射对象

获取 Class 对象的方式主要有三种：

1. 通过类的静态属性 class：

   • 对于已知类，可以通过该类的 .class 静态属性获取 Class 对象。

   Class<MyClass> clazz = MyClass.class;
   

2. 通过对象的 getClass 方法：

   • 对于已有对象，可以调用该对象的 getClass 方法获取其 Class 对象。

   MyClass myObject = new MyClass();
   Class<?> clazz = myObject.getClass();
   

3. 通过 Class.forName 方法：

   • 通过类的全限定名（包括包名）使用 Class.forName 方法获取 Class 对象。这种方式在编写通用代码时比较有用，因为可以在运行时指定类名。

   try {
       Class<?> clazz = Class.forName("com.example.MyClass");
   } catch (ClassNotFoundException e) {
       e.printStackTrace();
   }
   

这三种方式在不同的情况下都有用。第一种和第二种方式适用于已知类的情况，而第三种方式适用于在运行时动态指定类名的情况。在实际应用中，选择获取 Class 对象的方式取决于具体的需求和设计。

获取反射详细信息

获取类型的所有详细信息可以通过 Class 类的方法以及相关的反射 API 实现。以下是一些获取类型详细信息的常用方法：

1. 获取类名、包名、修饰符等基本信息：

   • 使用 Class 类的方法获取基本的类信息。

   Class<MyClass> clazz = MyClass.class;
   
   // 获取类名
   String className = clazz.getName();
   
   // 获取包名
   Package packageName = clazz.getPackage();
   
   // 获取修饰符
   int modifiers = clazz.getModifiers();
   

2. 获取父类和实现的接口信息：

   • 使用 Class 类的方法获取类的继承关系信息。

   Class<?> superClass = clazz.getSuperclass();
   
   Class<?>[] interfaces = clazz.getInterfaces();
   

3. 获取字段信息：

   • 使用 Class 类的方法获取类的字段信息。

   Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();
   for (Field field : fields) {
       String fieldName = field.getName();
       Class<?> fieldType = field.getType();
       int fieldModifiers = field.getModifiers();
   }
   

4. 获取方法信息：

   • 使用 Class 类的方法获取类的方法信息。

   Method[] methods = clazz.getDeclaredMethods();
   for (Method method : methods) {
       String methodName = method.getName();
       Class<?> returnType = method.getReturnType();
       Class<?>[] parameterTypes = method.getParameterTypes();
       int methodModifiers = method.getModifiers();
   }
   

5. 获取构造方法信息：

   • 使用 Class 类的方法获取类的构造方法信息。

   Constructor<?>[] constructors = clazz.getDeclaredConstructors();
   for (Constructor<?> constructor : constructors) {
       Class<?>[] parameterTypes = constructor.getParameterTypes();
       int constructorModifiers = constructor.getModifiers();
   }
   

6. 获取注解信息：

   • 使用 Class 类的方法获取类、字段、方法上的注解信息。

   Annotation[] classAnnotations = clazz.getAnnotations();
   
   // 获取字段上的注解
   Field field = clazz.getDeclaredField("fieldName");
   Annotation[] fieldAnnotations = field.getAnnotations();
   
   // 获取方法上的注解
   Method method = clazz.getDeclaredMethod("methodName");
   Annotation[] methodAnnotations = method.getAnnotations();
   

这些方法提供了丰富的信息，可以用于动态地了解和操作类的结构。需要注意，部分方法（如 getDeclaredFields、getDeclaredMethods 等）返回的是当前类声明的字段、方法，不包括父类的字段、方法。如果需要获取所有的字段、方法，可以使用相应的递归方法或结合父类的信息。

获取反射操作对象

使用反射创建对象并操作类的属性和方法主要分为以下步骤：

1. 获取 Class 对象：通过已知类的静态属性 .class、对象的 getClass 方法，或者使用 Class.forName 方法获取 Class 对象。

2. 创建对象：通过反射创建类的实例对象。

3. 操作属性：通过 Field 对象获取或设置类的属性值。

4. 操作方法：通过 Method 对象调用类的方法。

以下是一个包含这些步骤的示例：

import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Method;

public class ReflectionExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 获取 Class 对象的方式
            Class<?> clazz = MyClass.class;

            // 创建对象
            Object myObject = clazz.newInstance();

            // 操作属性
            Field nameField = clazz.getDeclaredField("name");
            nameField.setAccessible(true); // 设置私有属性可访问
            nameField.set(myObject, "John Doe");

            // 操作方法
            Method getNameMethod = clazz.getMethod("getName");
            Object result = getNameMethod.invoke(myObject);

            // 输出结果
            System.out.println("Name: " + result);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class MyClass {
    private String name;

    public String getName() {
        System.out.println("GetName method called.");
        return name;
    }
}

在上述示例中，我们通过反射创建 MyClass 类的对象，获取 name 属性的 Field 对象，设置私有属性可访问后，通过 set 方法设置属性值。然后，通过获取 getName 方法的 Method 对象，并调用 invoke 方法获取方法的返回值。最终，输出了获取到的属性值。

需要注意的是，使用反射操作属性和方法时，要注意访问权限。如果属性或方法是私有的，需要调用 setAccessible(true) 来设置访问权限。另外，要处理可能抛出的异常，如 NoSuchFieldException、IllegalAccessException、NoSuchMethodException 和 InvocationTargetException。

type接口

当我们谈论Java的Type接口时，我们实际上是在说关于处理泛型（Generic）的一些工具。泛型是为了让我们写更灵活、通用的代码。而Type接口则是帮助我们在程序运行时理解和操作泛型信息的工具。

示例：

1. Class 类：

   • Class 表示普通的类，比如 String.class 表示字符串类。这就是我们平常用的类。

   Class<?> stringClass = String.class;
   

2. ParameterizedType 接口：

   • ParameterizedType 表示带有泛型参数的类型，比如 List。这帮助我们了解和获取泛型参数的信息。

   import java.lang.reflect.ParameterizedType;
   import java.lang.reflect.Type;
   import java.util.List;
   
   Type type = MyClass.class.getField("list").getGenericType();
   
   if (type instanceof ParameterizedType) {
       ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) type;
       Type[] typeArguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();
       // 在这里你可以获取 List 中的 String 类型信息
   }
   

3. GenericArrayType 接口：

   • GenericArrayType 表示泛型数组类型，例如 T[]。这帮助我们处理这样的泛型数组类型。

   import java.lang.reflect.GenericArrayType;
   import java.lang.reflect.Type;
   
   Type type = MyClass.class.getField("array").getGenericType();
   
   if (type instanceof GenericArrayType) {
       GenericArrayType genericArrayType = (GenericArrayType) type;
       Type componentType = genericArrayType.getGenericComponentType();
       // 在这里你可以获取 T[] 中的 T 类型信息
   }
   

4. WildcardType 接口：

   • WildcardType 表示通配符类型，例如 ? extends Number。这帮助我们了解通配符的上下界信息。

   import java.lang.reflect.WildcardType;
   import java.lang.reflect.Type;
   
   Type type = MyClass.class.getField("wildcard").getGenericType();
   
   if (type instanceof WildcardType) {
       WildcardType wildcardType = (WildcardType) type;
       Type[] upperBounds = wildcardType.getUpperBounds();
       Type[] lowerBounds = wildcardType.getLowerBounds();
       // 在这里你可以获取通配符的上下界信息
   }
   

5. TypeVariable 接口：

   • TypeVariable 表示类型变量，例如 。这是我们在泛型类或方法中定义的变量，可以代表任何类型。

   import java.lang.reflect.TypeVariable;
   import java.lang.reflect.Type;
   
   Type type = MyClass.class.getTypeParameters()[0];
   
   if (type instanceof TypeVariable) {
       TypeVariable<?> typeVariable = (TypeVariable<?>) type;
       Type[] bounds = typeVariable.getBounds();
       // 在这里你可以获取类型变量的上界信息
   }
   

总的来说，Type 接口及其实现类帮助我们在编写更加灵活、通用的代码时，了解和处理泛型类型的信息。如果你写的是相对简单的代码。