《Spring 3.x 企业应用开发实战》学习笔记 第三章 IoC容器概述 3.2 相关Java基础知识 类装载器 反射机制

3.2 相关Java基础知识

Java语言允许通过程序化的方式间接对Class进行操作，Class文件由类装载器装载后，在JVM中将形成一份描述Class结构的元信息对象，通过该元信息对象可以获知Class的结构信息：如构造函数、属性和方法等。Java允许用户借由这个Class相关的元信息对象间接调用Class对象的功能，这就为使用程序化方式操作Class对象开辟了途径。

package com.baobaotao.reflect;

public class Car {
private String brand;
private String color;
private int maxSpeed;

public String getBrand() {
return brand;
}

public void setBrand(String brand) {
this.brand = brand;
}

public String getColor() {
return color;
}

public void setColor(String color) {
this.color = color;
}

public int getMaxSpeed() {
return maxSpeed;
}

public void setMaxSpeed(int maxSpeed) {
this.maxSpeed = maxSpeed;
}

/**
* 默认构造函数
*/
public Car() {
}

/**
* 带参数构造函数
* @param brand
* @param color
* @param maxSpeed
*/
public Car(String brand, String color, int maxSpeed) {
this.brand = brand;
this.color = color;
this.maxSpeed = maxSpeed;
}

/**
* 未带参的方法
*/
public void introduce() {
System.out.println("brand:" + brand + ";color:" + color + ";maxSpeed:"
+ maxSpeed);
}
}

package com.baobaotao.reflect;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Method;
public class ReflectTest {
 public static Car initByDefaultConst() throws Throwable{
  //通过类装载器获取Car类对象【获取当前线程的ClassLoader】
  ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
  //通过指定的全限定类"com.baobaotao.reflect.Car"装载Car类对应的反射实例
  Class clazz = loader.loadClass("com.baobaotao.reflect.Car");
  
  //获取类的默认构造器对象并通过它实例化Car[通过Car的反射类对象获取Car的构造函数对象cons]
  Constructor cons = clazz.getDeclaredConstructor((Class[])null);
  //通过构造函数对象的newInstance()方法实例化Car对象，其效果等同于new Car()
  Car car = (Car)cons.newInstance();
  
  //通过反射方法设置属性[通过Car的反射类对象的getMethod(String methodName,Classs paramClass)获取属性的Setter方法对象]
  //[第一个参数是目标Class的方法名，第二个参数是方法入参的对象类型]
  Method setBrand = clazz.getMethod("setBrand",String.class);
  //获取方法反射对象后，即可通过invoke(Object obj,Object param)方法调用的目标类的方法
  //该方法的第一个参数是操作的目标类对象实例；第二个参数是目标方法的入参
  setBrand.invoke(car,"红旗CA72");
  Method setColor = clazz.getMethod("setColor",String.class);
  setColor.invoke(car,"黑色");
  Method setMaxSpeed = clazz.getMethod("setMaxSpeed",int.class);
  setMaxSpeed.invoke(car,200);
  return car;
 }
 
 public static void main(String[] args) throws Throwable{
  Car car = initByDefaultConst();
  car.introduce();
 }
}

运行以上程序，在控制台上将打印出以下信息：

brand:红旗CA72;color:黑色;maxSpeed:200

在ReflectTest中，使用了几个重要的反射类，分别是ClassLoader、Class、Constructor和Method,通过这些反射类就可以间接调用目标Class的各项功能了。

 

3.2.2 类装载器 ClassLoader

类装载器工作机制

类装载器就是寻找类的节码文件并构造出类在JVM内部表示对象的组件。在Java中，类装载器把一个类装入JVM中，要经过以下步骤

1、装载：查找和导入Class文件

2、链接：执行校验、准备和解析步骤，其中解析步骤是可以选择的：

      a) 校验：检查载入Class文件数据的正确性；

      b) 准备：给类的静态变量分配存储空间

      c) 解析：将符号引用转成直接引用

3、初始化：对类的静态变量、静态代码块执行初始化工作

类装载工作由ClassLoader及其子类负责，ClassLoader是一个重要的Java运行时系统组件，它负责在运行时查找和装入Class字节码文件。JVM在运行时会产生三个ClassLoader：根装载器、ExtClassLoader（扩展类装载器）和AppClassLoader(系统类装载器)。其中，根装载器不是ClassLoader的子类，它用C++编写，因此我们在Java中看不到它，根装载器负责装载JRE的核心类库，如JRE目标下的rt.jar、charsets.jar等。ExtClassLoader和AppClassLoader都是ClassLoader的子类。其中ExtClassLoader负责装载JRE扩展目录ext中的JAR类包；AppClassLoader负责装载Classpath路径下的类包。

这三个类装载器之间存在父子层级关系。即根装载器是ExtClassLoader的父装载器，ExtClassLoader是AppClassLoader的父装载器。默认情况下，使用AppClassLoader装载应用程序的类，实验如下：

package com.baobaotao.classloader;

public class ClassLoaderTest {

public static void main(String[] args) {
ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
System.out.println("current loader:"+loader);
System.out.println("parent loader:"+loader.getParent());
System.out.println("grandparent loader:"+loader.getParent().getParent());
}

}

结果如下：

current loader:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f
parent loader:sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@addbf1
grandparent loader:null //1 根装载器在Java中访问不到，所以返回null

通过以上的输出信息，我们知道当前的ClassLoader是AppClassLoader，父ClassLoader是ExtClassLoader，祖父ClassLoader是根类装载器，因为在Java中无法获得它的句柄，所以仅返回null。

JVM装载类时使用“全盘负责委托机制”，“全盘负责”是指当一个ClassLoader装载一个类时，除非显示地使用另一个ClassLoader，该类所依赖及引用的类也由这个ClassLoader载入：“委托机制”是指先委托父装载器寻找目标类，只有在找不到的情况下才从自己的类路径中查找并装载目标类。这一点是从安全角度考虑的，试想如果有人编写了一个恶意的基础类(如java.land.String)并装载到JVM中将会引起多么可怕的后果。但是由于有了“全盘负责委托机制”，java.lang.String永远是由根装载器来装载的，这样就避免了上述事件的发生。

实战经验：

但凡Java的开发者，想必遇到过java.lang.NoSuchMethodError的错误信息吧。究其源，这个错误基本上都是由JVM的“全盘负责委托机制”引发的问题：因为在类路径下放置了多个不同版本的类包，如common-lang 2.x jar和 common-lang 3.x.jar都位于类路径中，代码中用到了common-lang 3.x类的某个方法，而这个方法在commons-lang 2.x中并不存在，JVM加载类时碰巧又从commons-lang 2.x.jar中加载类，运行时就会抛出NoSuchMethodError的错误。

通过如下方式查看JVM从哪个类包加载指定类：

<%@page contentType="text/html; charset=GBK"%>
<%@page import="java.security.*,java.net.*,java.io.*"%>
<%!

public static URL getClassLocation(final Class cls) {
if (cls == null)throw new IllegalArgumentException("null input: cls");
URL result = null;
final String clsAsResource = cls.getName().replace('.', '/').concat(".class");
final ProtectionDomain pd = cls.getProtectionDomain();
// java.lang.Class contract does not specify if 'pd' can ever be null;
// it is not the case for Sun's implementations, but guard against null
// just in case:
if (pd != null) {
final CodeSource cs = pd.getCodeSource();
// 'cs' can be null depending on the classloader behavior:
if (cs != null) result = cs.getLocation();
if (result != null) {
// Convert a code source location into a full class file location
// for some common cases:
if ("file".equals(result.getProtocol())) {
try {
if (result.toExternalForm().endsWith(".jar") ||
result.toExternalForm().endsWith(".zip"))
result = new URL("jar:".concat(result.toExternalForm())
.concat("!/").concat(clsAsResource));
else if (new File(result.getFile()).isDirectory())
result = new URL(result, clsAsResource);
}
catch (MalformedURLException ignore) {}
}
}
}
if (result == null) {
// Try to find 'cls' definition as a resource; this is not
// document．d to be legal, but Sun's implementations seem to         //allow this:
final ClassLoader clsLoader = cls.getClassLoader();
result = clsLoader != null ?
clsLoader.getResource(clsAsResource) :
ClassLoader.getSystemResource(clsAsResource);
}
return result;
}
%>
<html>
<head>
<title>srcAdd.jar</title>
</head>
<body bgcolor="#ffffff">
使用方法，className参数为类的全名，不需要.class后缀，如
srcAdd.jsp?className=java.net.URL
<%
try
{
String classLocation = null;
String error = null;
String className = request.getParameter("className");

classLocation =  ""+getClassLocation(Class.forName(className));
if (error == null) {
out.print("类" + className + "实例的物理文件位于：");
out.print("<hr>");
out.print(classLocation);
}
else {
out.print("类" + className + "没有对应的物理文件。<br>");
out.print("错误：" + error);
}
}catch(Exception e)
{
out.print("异常。"+e.getMessage());
}
%>
</body>
</html>

ClassLoader 重要方法

在Java中，ClassLoader是一个抽象类，位于java.lang包中。下面对该类的一些重要接口方法进行介绍：

Class loadClass(String name)

name 参数指定类装载器需要装载类的名字，必须使用全限定类名（如com.baobaotao.beans.Car）。该方法有一个重载方法loadClass(String name,boolean resolve)，resolve参数告诉类装载器是否需要解析该类。在初始化类之前，应考虑进行类解析的工作，但并不是所有的类都需要解析，如果JVM只需要知道该类是否存在或找出该类的超类，那么就不需要进行解析

Class defineClass(String name,byte[] b,int off,int len)

将类文件的字节数组转换成JVM内部的java.lang.Class对象。字节数组可以从本地文件系统、远程网络获取。name为字节数组对应的全限定类名。

Class findSystemClass(String name)

从本地文件系统载入Class文件，如果本地文件系统不存在该Class文件，将抛出ClassNotFoundException异常。该方法是JVM默认使用的装载机制。

Class findLoadedClass(String name)

调用该方法来查看ClassLoader是否已装入某个类。如果已装入，那么返回java.lang.Class对象，否则返回null。如果强行装载已存在的类，将会抛出链接错误。

ClassLoader getParent()

获取类装载器的父装载器，除根装载器外，所有的类装载器都有且仅有一个父装载器，ExtClassLoader的父装载器是根装载器，因为跟装载器非Java编写，所以无法获得，将返回null

除JVM默认的三个ClassLoader以外，可以编写自己的第三方类装载器，以实现一些特殊的需求。类文件被装载并解析后，在JVM内将拥有一个对应的java.lang.Class类描述对象，改类的实例都拥有只想这个类描述对象的引用，而类描述对象又拥有指向关联ClassLoader的引用。

每一个类在JVM中都拥有一个对应的java.lang.Class对象，它提供了类结构信息的描述。数组、枚举、注解以及基本Java类型（如int、double等）甚至void都拥有对应的Class对象。Class没有public构造方法。Class对象是在装载类时由JVM通过调用类装载器中的defineClass()方法自动构造的。

 3.2.3 Java反射机制

Class反射对象描述类语义结构，可以从Class对象中获取构造函数、成员变量、方法类等类元素的反射对象，并以编程的方式通过这些反射对象对目标类对象进行操作。这些反射对象类在java.reflect包中定义，下面是最主要的三个反射类：

Constructor:类的构造函数反射类，通过Class#getConstructors()方法可以获得类的所有构造函数反射对象数组。在JDK5.0中，还可以通过getConstructor(Class...parameterTypes)获取拥有特定入参的构造函数反射对象。

Constructor的一个主要方法是newInstance(Object[] initargs)，通过该方法可以创建一个对象类的实例，相当于new关键字。在JDK5.0中该方法演化为更为灵活的形式:newInstance(Object ...initargs)。

Method：类方法的反射类，通过Class#getDeclaredMethods()方法可以获取类的所有方法反射类对象数组Method[]。在JDK5.0中可以通过getDeclaredMethod(String name,Class ...parameterTypes)获取特定签名的方法，name为方法名；Class...为方法入参类型列表。Method最主要的方法是invoke(Object obj,Object[] args)，obj表示操作的目标对象；args为方法入参。在JDK5.0中，该方法的形式调整为invoke(Object
obj,Object ...args)。此外，Method还有很多用于获取类方法更多信息的方法：

1) Class getReturnType():获取方法的返回值类型；

2)Class[] getParameterTypes()：获取方法的入参类型数组；

3)Class[] getExceptionTypes()：获取方法的异常类型数组；

4)Annotation[][] getParameterAnnotations()获取方法的注解信息，JDK5.0中的新方法：

Field:类的成员变量的反射类，通过Class#getDeclaredFields()方法可以获取类的成员变量发射对象数组，通过Class#getDeclaredField(String name)则可获取某个特定名称的成员变量反射对象。Field类最主要的方法是set(Object obj,Object value)，obj表示操作的目标对象，通过value为目标对象的成员变量设置值。如果成员变量为基础类型，用户可以使用Field类中提供的带类型名的值设置方法，如setBoolean(Object
obj,boolean value)、setInt(Object obj,int value)等。此外，Java还为包提供了Package反射类，在JDK5.0中还未注解提供了AnnotatedElement反射类。总之，Java的反射机制保证了可以通过程序化的方式访问目标类中所有的元素，对于private或protected成员变量和方法，只要JVM的安全机制允许，也可以通过反射进行调用

package com.baobaotao.reflect;

public class PrivateCar {
//private成员变量，使用传统的类实例调用方式，只能在本类中访问
private String color;
//protected方法：使用传统的类实例调用方式，只能在子类和本包中访问
protected void drive(){
System.out.println("drive private car!the color is:"+color);
}
}

package com.baobaotao.reflect;

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

/**
* color变量和drive()方法是私有的，通过类实例变量无法在外部访问私有变量、调用私有方法，但通过反射机制却可绕过这个限制
* @author lester
*
*/
public class PrivateCarRefiect {

public static void main(String[] args) throws Throwable{
ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
Class clazz = loader.loadClass("com.baobaotao.reflect.PrivateCar");
PrivateCar pcar = (PrivateCar)clazz.newInstance();

Field colorFld = clazz.getDeclaredField("color");
//取消Java语言访问检查以访问private变量
colorFld.setAccessible(true);
colorFld.set(pcar,"红色");

Method driveMtd = clazz.getDeclaredMethod("drive",(Class[])null);
//Method driveMtd = clazz.getDeclaredMethod("drive") JDK5.0下使用
//取消Java语言访问检查以访问protected方法
driveMtd.setAccessible(true);
driveMtd.invoke(pcar,(Object[])null);
}

}

运行后控制台输出：
drive private car!the color is:红色

在访问private、protected成员变量和方法时必须通过setAccessible(boolean access)方法取消Java语言检查，否则将抛出IllegalAccessException。如果JVM的安全管理器设置了相应的安全机制，调用该方法将抛出SecurityException