深入理解Java反射：候捷谈Java反射机制

摘要

　　Reflection是Java被视为动态（或准动态）语言的一个关键性质。这个机制允许程序在运行时透过Reflection
APIs取得任何一个已知名称的class的内部信息，包括其modifiers（诸如public, static等等）、superclass（例如Object）、实现之interfaces（例如Cloneable），也包括fields和methods的所有信息，并可于运行时改变fields内容或唤起methods。本文借由实例，大面积示范Reflection
APIs。
　　关于本文：
　　读者基础：具备Java语言基础。
　　本文适用工具：JDK1.5
　　关键词：
　　Introspection（内省、内观）
　　Reflection（反射）

　　有时候我们说某个语言具有很强的动态性，有时候我们会区分动态和静态的不同技术与作法。我们朗朗上口动态绑定（dynamic binding）、动态链接（dynamic linking）、动态加载（dynamic
loading）等。然而“动态”一词其实没有绝对而普遍适用的严格定义，有时候甚至像对象导向当初被导入编程领域一样，一人一把号，各吹各的调。
　　一般而言，开发者社群说到动态语言，大致认同的一个定义是：“程序运行时，允许改变程序结构或变量类型，这种语言称为动态语言”。从这个观点看，Perl，Python，Ruby是动态语言，C++，Java，C#不是动态语言。
　　尽管在这样的定义与分类下Java不是动态语言，它却有着一个非常突出的动态相关机制：Reflection。这个字的意思是“反射、映象、倒影”，用在Java身上指的是我们可以于运行时加载、探知、使用编译期间完全未知的classes。换句话说，Java程序可以加载一个运行时才得知名称的class，获悉其完整构造（但不包括methods定义），并生成其对象实体、或对其fields设值、或唤起其methods1。这种“看透class”的能力（the
ability of the program to examine itself）被称为introspection（内省、内观、反省）。Reflection和introspection是常被并提的两个术语。
　　Java如何能够做出上述的动态特性呢？这是一个深远话题，本文对此只简单介绍一些概念。整个篇幅最主要还是介绍Reflection APIs，也就是让读者知道如何探索class的结构、如何对某个“运行时才获知名称的class”生成一份实体、为其fields设值、调用其methods。本文将谈到java.lang.Class，以及java.lang.reflect中的Method、Field、Constructor等等classes。

“Class”class

　　众所周知Java有个Object class，是所有Java
classes的继承根源，其内声明了数个应该在所有Java class中被改写的methods：hashCode()、equals()、clone()、toString()、getClass()等。其中getClass()返回一个Class
object。
　　Class class十分特殊。它和一般classes一样继承自Object，其实体用以表达Java程序运行时的classes和interfaces，也用来表达enum、array、primitive
Java types（boolean, byte, char, short, int, long, float, double）以及关键词void。当一个class被加载，或当加载器（class
loader）的defineClass()被JVM调用，JVM便自动产生一个Class
object。如果您想借由“修改Java标准库源码”来观察Class
object的实际生成时机（例如在Class的constructor内添加一个println()），不能够！因为Class并没有public
constructor（见图1）。本文最后我会拨一小块篇幅顺带谈谈Java标准库源码的改动办法。
　　Class是Reflection故事起源。针对任何您想探勘的class，唯有先为它产生一个Class
object，接下来才能经由后者唤起为数十多个的Reflection APIs。这些APIs将在稍后的探险活动中一一亮相。 
#001 public final
#002 classClass<T>implements
java.io.Serializable,
#003 java.lang.reflect.GenericDeclaration,
#004 java.lang.reflect.Type,
#005 java.lang.reflect.AnnotatedElement {
#006    privateClass() {}
#007    public StringtoString() {
#008        return ( isInterface() ? "interface " :
#009            (isPrimitive() ? "" : "class "))
#010        + getName();
#011 }
...
图1：Classclass片段。注意它的private
empty ctor，意指不允许任何人经由编程方式产生Class object。是的，其object只能由JVM产生。
 
“Class” object的取得途径

　　Java允许我们从多种管道为一个class生成对应的Classobject。图2是一份整理。

Class object诞生管道	示例
运用getClass() 注：每个class都有此函数	String str = "abc"; Class c1 = str.getClass();
运用 Class.getSuperclass()2	Button b = new Button(); Class c1 = b.getClass(); Class c2 = c1.getSuperclass();
运用static method Class.forName() （最常被使用）	Class c1 = Class.forName ("java.lang.String"); Class c2 = Class.forName ("java.awt.Button"); Class c3 = Class.forName ("java.util.LinkedList$Entry"); Class c4 = Class.forName ("I"); Class c5 = Class.forName ("[I");
运用 .class语法	Class c1 = String.class; Class c2 = java.awt.Button.class; Class c3 = Main.InnerClass.class; Class c4 = int.class; Class c5 = int[].class;
运用 primitive wrapper classes 的TYPE语法	Class c1 = Boolean.TYPE; Class c2 = Byte.TYPE; Class c3 = Character.TYPE; Class c4 = Short.TYPE; Class c5 = Integer.TYPE; Class c6 = Long.TYPE; Class c7 = Float.TYPE; Class c8 = Double.TYPE; Class c9 = Void.TYPE;

图2：Java允许多种管道生成Class
object。
 
Java classes组成分析

　　首先容我以图3的java.util.LinkedList为例，将Java
class的定义大卸八块，每一块分别对应图4所示的Reflection API。图5则是“获得class各区块信息”的程序示例及执行结果，它们都取自本文示例程序的对应片段。

package java.util;                     //(1)
import java.lang.*;                    //(2)
public class LinkedList<E>
            //(3)(4)(5)
extendsAbstractSequentialList<E>      //(6)
implements List<E>,Queue<E>,

Cloneable, java.io.Serializable        //(7)
{
    private static classEntry<E> {…}  
//(8)
    publicLinkedList() {…}
          //(9)
    publicLinkedList(Collection<? extends E> c) {…}
    public EgetFirst() {…}
          //(10)
   public EgetLast()
{…}
   private transient Entry<E>header=…; //(11)
   private transient intsize=
0;
}
图3：将一个Java class大卸八块，每块相应于一个或一组Reflection
APIs（图4）。
 
Java classes各成份所对应的Reflection APIs

　　图3的各个Java class成份，分别对应于图4的Reflection
API，其中出现的Package、Method、Constructor、Field等等classes，都定义于java.lang.reflect。

Java class内部模块（参见图3）	Java class内部模块说明	相应之Reflection API，多半为Classmethods。	返回值类型(return type)
(1) package	class隶属哪个package	getPackage()	Package
(2) import	class导入哪些classes	无直接对应之API。 解决办法见图5-2。
(3) modifier	class（或methods, fields）的属性	int getModifiers() Modifier.toString(int) Modifier.isInterface(int)	int String bool
(4) class name or interface name	class/interface	名称getName()	String
(5) type parameters	参数化类型的名称	getTypeParameters()	TypeVariable <Class>[]
(6) base class	base class（只可能一个）	getSuperClass()	Class
(7) implemented interfaces	实现有哪些interfaces	getInterfaces()	Class[]
(8) inner classes	内部classes	getDeclaredClasses()	Class[]
(8') outer class	如果我们观察的class本身是inner classes，那么相对它就会有个outer class。	getDeclaringClass()	Class
(9) constructors	构造函数getDeclaredConstructors()	不论 public或private或其它access level，皆可获得。另有功能近似之取得函数。	Constructor[]
(10) methods	操作函数getDeclaredMethods()	不论 public或private或其它access level，皆可获得。另有功能近似之取得函数。	Method[]
(11) fields	字段（成员变量）	getDeclaredFields()不论 public或private或其它access level，皆可获得。另有功能近似之取得函数。	Field[]

图4：Java class大卸八块后（如图3），每一块所对应的Reflection
API。本表并非
Reflection APIs的全部。
 
Java Reflection API运用示例

　　图5示范图4提过的每一个Reflection
API，及其执行结果。程序中出现的tName()是个辅助函数，可将其第一自变量所代表的“Java class完整路径字符串”剥除路径部分，留下class名称，储存到第二自变量所代表的一个hashtable去并返回（如果第二自变量为null，就不储存而只是返回）。

#001Class c = null;
#002 c =Class.forName(args[0]);
#003
#004Packagep;
#005 p = c.getPackage();
#006
#007 if (p != null)
#008   System.out.println("package "+p.getName()+";");
 
执行结果（例）：
package java.util;
图5-1：找出class隶属的package。其中的c将继续沿用于以下各程序片段。
 
#001 ff = c.getDeclaredFields();
#002 for (int i = 0; i < ff.length; i++)
#003   x = tName(ff[i].getType().getName(), classRef);
#004
#005 cn = c.getDeclaredConstructors();
#006 for (int i = 0; i < cn.length; i++) {
#007   Class cx[] = cn[i].getParameterTypes();
#008   for (int j = 0; j < cx.length; j++)
#009       x = tName(cx[j].getName(), classRef);
#010 }
#011
#012 mm = c.getDeclaredMethods();
#013 for (int i = 0; i < mm.length; i++) {
#014   x = tName(mm[i].getReturnType().getName(), classRef);
#015   Class cx[] = mm[i].getParameterTypes();
#016   for (int j = 0; j < cx.length; j++)
#017       x = tName(cx[j].getName(), classRef);
#018 }
#019 classRef.remove(c.getName()); //不必记录自己（不需import自己）
 
执行结果（例）：
import java.util.ListIterator;
import java.lang.Object;
import java.util.LinkedList$Entry;
import java.util.Collection;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
图5-2：找出导入的classes，动作细节详见内文说明。
 
#001 int mod = c.getModifiers();
#002 System.out.print(Modifier.toString(mod)); //整个modifier
#003
#004 if (Modifier.isInterface(mod))
#005   System.out.print(" "); //关键词 "interface"已含于modifier
#006 else
#007   System.out.print(" class "); //关键词 "class"
#008 System.out.print(tName(c.getName(), null)); //class名称
 
执行结果（例）：
public class LinkedList
图5-3：找出class或interface的名称，及其属性（modifiers）。
 
#001 TypeVariable<Class>[] tv;
#002 tv = c.getTypeParameters(); //warning:
unchecked conversion
#003 for (int i = 0; i < tv.length; i++) {
#004   x = tName(tv[i].getName(), null); //例如 E,K,V...
#005   if (i == 0) //第一个
#006       System.out.print("<" + x);
#007   else //非第一个
#008       System.out.print("," + x);
#009   if (i == tv.length-1) //最后一个
#010       System.out.println(">");
#011 }
 
执行结果（例）：
public abstract interface Map<K,V>
或public class LinkedList<E>
图5-4：找出parameterized types的名称
 
#001 Class supClass;
#002 supClass = c.getSuperclass();
#003 if (supClass != null) //如果有super class
#004   System.out.print(" extends" +
#005 tName(supClass.getName(),classRef));
 
执行结果（例）：
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList,
图5-5：找出base class。执行结果多出一个不该有的逗号于尾端。此非本处重点，为简化计，不多做处理。
 
#001 Class cc[];
#002 Class ctmp;
#003 //找出所有被实现的interfaces
#004 cc = c.getInterfaces();
#005 if (cc.length != 0)
#006   System.out.print(", /r/n" + " implements "); //关键词
#007 for (Class cite : cc) //JDK1.5新式循环写法
#008   System.out.print(tName(cite.getName(), null)+", ");
 
执行结果（例）：
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList,
implements List, Queue, Cloneable, Serializable,
图5-6：找出implemented interfaces。执行结果多出一个不该有的逗号于尾端。此非本处重点，为简化计，不多做处理。
 
#001 cc = c.getDeclaredClasses(); //找出inner
classes
#002 for (Class cite : cc)
#003   System.out.println(tName(cite.getName(), null));
#004
#005 ctmp = c.getDeclaringClass(); //找出outer
classes
#006 if (ctmp != null)
#007   System.out.println(ctmp.getName());
 
执行结果（例）：
LinkedList$Entry
LinkedList$ListItr
图5-7：找出inner classes和outer
class
 
#001 Constructor cn[];
#002 cn = c.getDeclaredConstructors();
#003 for (int i = 0; i < cn.length; i++) {
#004   int md = cn[i].getModifiers();
#005   System.out.print(" " + Modifier.toString(md) + " " +
#006        cn[i].getName());
#007   Class cx[] = cn[i].getParameterTypes();
#008   System.out.print("(");
#009   for (int j = 0; j < cx.length; j++) {
#010       System.out.print(tName(cx[j].getName(), null));
#011       if (j < (cx.length - 1))   System.out.print(", ");
#012   }
#013   System.out.print(")");
#014 }
 
执行结果（例）：
public java.util.LinkedList(Collection)
public java.util.LinkedList()
图5-8a：找出所有constructors
 

#004 System.out.println(cn[i].toGenericString());
 
执行结果（例）：
public java.util.LinkedList(java.util.Collection<? extends E>)
public java.util.LinkedList()
图5-8b：找出所有constructors。本例在for循环内使用toGenericString()，省事。
 

#001 Method mm[];
#002 mm = c.getDeclaredMethods();
#003 for (int i = 0; i < mm.length; i++) {
#004   int md = mm[i].getModifiers();
#005   System.out.print(" "+Modifier.toString(md)+" "+
#006   tName(mm[i].getReturnType().getName(), null)+" "+
#007        mm[i].getName());
#008   Class cx[] = mm[i].getParameterTypes();
#009   System.out.print("(");
#010   for (int j = 0; j < cx.length; j++) {
#011       System.out.print(tName(cx[j].getName(), null));
#012      if (j < (cx.length - 1))    System.out.print(", ");
#013   }
#014   System.out.print(")");
#015 }
 
执行结果（例）：
public Object get(int)
public int size()
图5-9a：找出所有methods
 

#004 System.out.println(mm[i].toGenericString());
 
public E java.util.LinkedList.get(int)
public int java.util.LinkedList.size()
图5-9b：找出所有methods。本例在for循环内使用toGenericString()，省事。
 

#001Field ff[];
#002 ff = c.getDeclaredFields();
#003 for (int i = 0; i < ff.length; i++) {
#004   int md = ff[i].getModifiers();
#005   System.out.println(" "+Modifier.toString(md)+" "+
#006          tName(ff[i].getType().getName(), null) +" "+
#007   ff[i].getName()+";");
#008 }
 
执行结果（例）：
private transient LinkedList$Entry header;
private transient int size;
图5-10a：找出所有fields
 

#004 System.out.println("G: " + ff[i].toGenericString());
 
private transient java.util.LinkedList.java.util.LinkedList$Entry<E>??
java.util.LinkedList.header
private transient int java.util.LinkedList.size
图5-10b：找出所有fields。本例在for循环内使用toGenericString()，省事。
 

找出class参用（导入）的所有classes

　　没有直接可用的Reflection API可以为我们找出某个class参用的所有其它classes。要获得这项信息，必须做苦工，一步一脚印逐一记录。我们必须观察所有fields的类型、所有methods（包括constructors）的参数类型和回返类型，剔除重复，留下唯一。这正是为什么图5-2程序代码要为tName()指定一个hashtable（而非一个null）做为第二自变量的缘故：hashtable可为我们储存元素（本例为字符串），又保证不重复。
　　本文讨论至此，几乎可以还原一个class的原貌（唯有methods和ctors的定义无法取得）。接下来讨论Reflection的另三个动态性质：(1)运行时生成instances，(2)执行期唤起methods，(3)运行时改动fields。

运行时生成instances

　　欲生成对象实体，在Reflection动态机制中有两种作法，一个针对“无自变量ctor”，一个针对“带参数ctor”。图6是面对“无自变量ctor”的例子。如果欲调用的是“带参数ctor“就比较麻烦些，图7是个例子，其中不再调用Class的newInstance()，而是调用Constructor的newInstance()。图7首先准备一个Class[]做为ctor的参数类型（本例指定为一个double和一个int），然后以此为自变量调用getConstructor()，获得一个专属ctor。接下来再准备一个Object[]做为ctor实参值（本例指定3.14159和125），调用上述专属ctor的newInstance()。

#001 Class c = Class.forName("DynTest");
#002 Object obj = null;
#003 obj =c.newInstance(); //不带自变量
#004 System.out.println(obj);
图6：动态生成“Class object所对应之class”的对象实体；无自变量。
 
#001 Class c = Class.forName("DynTest");
#002 Class[] pTypes = new Class[] { double.class, int.class };
#003 Constructor ctor = c.getConstructor(pTypes);
#004 //指定parameter list，便可获得特定之ctor
#005
#006 Object obj = null;
#007 Object[] arg = new Object[] {3.14159, 125}; //自变量
#008 obj =ctor.newInstance(arg);
#009 System.out.println(obj);
图7：动态生成“Class object对应之class”的对象实体；自变量以Object[]表示。
 
运行时调用methods

　　这个动作和上述调用“带参数之ctor”相当类似。首先准备一个Class[]做为ctor的参数类型（本例指定其中一个是String，另一个是Hashtable），然后以此为自变量调用getMethod()，获得特定的Methodobject。接下来准备一个Object[]放置自变量，然后调用上述所得之特定Methodobject的invoke()，如图8。知道为什么索取Method
object时不需指定回返类型吗？因为method overloading机制要求signature（署名式）必须唯一，而回返类型并非signature的一个成份。换句话说，只要指定了method名称和参数列，就一定指出了一个独一无二的method。 
#001 public Stringfunc(String s, Hashtable
ht)
#002 {
#003     …System.out.println("func invoked"); return s;
#004 }
#005 public static void main(String args[])
#006 {
#007     Class c = Class.forName("Test");
#008     Class ptypes[] = new Class[2];
#009     ptypes[0] = Class.forName("java.lang.String");
#010     ptypes[1] = Class.forName("java.util.Hashtable");
#011    Method m = c.getMethod("func",
ptypes);
#012     Test obj = new Test();
#013     Object args[] = new Object[2];
#014     arg[0] = new String("Hello,world");
#015     arg[1] = null;
#016     Object r = m.invoke(obj, arg);
#017     String rval = (String)r;
#018     System.out.println(rval);
#019 }
图8：动态唤起method
 
运行时变更fields内容

　　与先前两个动作相比，“变更field内容”轻松多了，因为它不需要参数和自变量。首先调用Class的getField()并指定field名称。获得特定的Field
object之后便可直接调用Field的get()和set()，如图9。

#001 public class Test {
#002     public doubled;
#003
#004     public static void main(String args[])
#005     {
#006         Class c = Class.forName("Test");
#007         Field f= c.getField("d");  
//指定field名称
#008         Test obj = new Test();
#009         System.out.println( "d= "  + (Double)f.get(obj)
);
#010         f.set(obj, 12.34);
#011         System.out.println("d= " + obj.d);
#012     }
#013 }
图9：动态变更field内容
 
Java源码改动办法

　　先前我曾提到，原本想借由“改动Java标准库源码”来测知Classobject的生成，但由于其ctor原始设计为private，也就是说不可能透过这个管道生成Class
object（而是由class loader负责生成），因此“在ctor中打印出某种信息”的企图也就失去了意义。
　　这里我要谈点题外话：如何修改Java标准库源码并让它反应到我们的应用程序来。假设我想修改java.lang.Class，让它在某些情况下打印某种信息。首先必须找出标准源码！当你下载JDK套件并安装妥当，你会发现jdk150/src/java/lang目录（见图10）之中有Class.java，这就是我们此次行动的标准源码。备份后加以修改，编译获得Class.class。接下来准备将.class搬移到jdk150/jre/lib/endorsed（见图10）。
　　这是一个十分特别的目录，class loader将优先从该处读取内含classes的.jar文件——成功的条件是.jar内的classes压缩路径必须和Java标准库的路径完全相同。为此，我们可以将刚才做出的Class.class先搬到一个为此目的而刻意做出来的/java/lang目录中，压缩为foo.zip（任意命名，唯需夹带路径java/lang），再将这个foo.zip搬到jdk150/jre/lib/endorsed并改名为foo.jar。此后你的应用程序便会优先用上这里的java.lang.Class。整个过程可写成一个批处理文件（batch
file），如图11，在DOS Box中使用。
 


图10：JDK1.5安装后的目录组织。其中的endorsed是我新建。
 
del e:/java/lang/*.class     //清理干净
del c:/jdk150/jre/lib/endorsed/foo.jar     //清理干净
c:
cd c:/jdk150/src/java/lang
javac -Xlint:unchecked Class.java       //编译源码
javac -Xlint:unchecked ClassLoader.java      //编译另一个源码（如有必要）
move *.class e:/java/lang        //搬移至刻意制造的目录中
e:
cd e:/java/lang       //以下压缩至适当目录
pkzipc -add -path=rootc:/jdk150/jre/lib/endorsed/foo.jar
*.class
cd e:/test         //进入测试目录
javac -Xlint:unchecked Test.java            //编译测试程序
java Test          //执行测试程序
图11：一个可在DOS Box中使用的批处理文件（batch
file），用以自动化java.lang.Class
的修改动作。Pkzipc(.exe)是个命令列压缩工具，add和path都是其命令。
 
更多信息

　　以下是视野所及与本文主题相关的更多讨论。这些信息可以弥补因文章篇幅限制而带来的不足，或带给您更多视野。
　　l        "Take an in-depth look at the Java Reflection API -- Learn about the new Java 1.1 tools forfinding out information
about classes", by Chuck McManis。此篇文章所附程序代码是本文示例程序的主要依据（本文示例程序示范了更多Reflection APIs，并采用JDK1.5新式的for-loop写法）。
　　l        "Take a look inside Java classes -- Learn to deduce properties of a Java class from inside aJava program",
by Chuck McManis。
　　l        "The basics of Java class loaders -- The fundamentals of this key component of the Javaarchitecture",
by Chuck McManis。
　　l        《The Java Tutorial Continued》, Sun microsystems.
Lesson58-61, "Reflection".
 
　　注1　用过诸如MFC这类所谓Application
Framework的程序员也许知道，MFC有所谓的dynamic creation。但它并不等同于Java的动态加载或动态辨识；所有能够在MFC程序中起作用的classes，都必须先在编译期被编译器“看见”。
　　注2　如果操作对象是Object，Class.getSuperClass()会返回null。

本文转自：http://blog.csdn.net/upyaya/article/details/1188730