Java反射和实现原理

1-反射是什么？

反射机制是在运行状态中，对于任意一个类，都能够知道这个类的所有属性和方法；对于任意一个对象，都能够调用它的任意一个方法和属性；这种动态获取的信息以及动态调用对象的方法的功能称为java语言的反射机制。

实际上，我们创建的每一个类也都是对象，即类本身是java.lang.Class类的实例对象。这个实例对象称之为类对象，也就是Class对象。那么，Class对象又是什么对象呢？

2-Class对象特点

Class对象的由来是将class文件读入内存，并为之创建一个Class对象。

从图中可以得出以下几点：

Class 类的实例对象表示正在运行的 Java 应用程序中的类和接口。也就是jvm中有很多的实例，每个类都有唯一的Class对象。
Class 类没有公共构造方法。Class 对象是在加载类时由 Java 虚拟机自动构造的。也就是说我们不需要创建，JVM已经帮我们创建了。
Class 对象用于提供类本身的信息，比如有几种构造方法，有多少属性，有哪些普通方法

3-反射机制能做什么

反射机制主要提供了以下功能：

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；
在运行时调用任意一个对象的方法；
生成动态代理。

4-反射机制的相关API

4.1-通过一个对象获得完整的包名和类名

package com.fangpeng.reflect
public class TestReflect {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        TestReflect testReflect = new TestReflect();
        System.out.println(testReflect.getClass().getName());
        // 结果 com.fangpeng.reflect.TestReflect

    }
 
}

4.2-获取类对象

获取类对象有3种方式

Class.forName（）（常用）
Hero.class
new Hero().getClass()

在一个JVM中，一种类，只会有一个类对象存在。所以以上三种方式取出来的类对象，都是一样。（此处准确是在ClassLoader下,只有一个类对象）

public class ObjectTest {
	
	public static void main(String[] args) {
        String className = "pogo.Hero";
		try {
        		//获取类对象的第一种方式
            Class pClass1 = Class.forName(className);
            //获取类对象的第二种方式
            Class pClass2 = Hero.class;
            //获取类对象的第三种方式
            Class pClass3 = new Hero().getClass();
            System.out.println(pClass1==pClass2);//输出true
            System.out.println(pClass1==pClass3);//输出true
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
 }
}

三种方式中，常用第一种，第二种需要导入类的包，依赖太强，不导包就抛编译错误。第三种对象都有了还要反射干什么。一般都第一种，一个字符串可以传入也可写在配置文件中等多种方法。

4.3-利用反射机制创建对象

与传统的通过new 来获取对象的方式不同反射机制，反射会先拿到Hero的“类对象”,然后通过类对象获取“构造器对象”再通过构造器对象创建一个对象，具体步骤：

获取类对象 Class class = Class.forName(“pojo.Hero”);
获取构造器对象 Constructor con = clazz.getConstructor(形参.class);
获取对象 Hero hero =con.newInstance(实参);

上面是最简单的获取方法，当Hero的构造方法不是无参构造方法时，获取构造器对象略有不同，见下面测试：

构造方法不同时，获取构造器对象的方法

示例：

1. Hero类添加6种构造方法

//---------------构造方法-------------------
	//（默认的构造方法）
	Hero(String str){
		System.out.println("(默认)的构造方法 s = " + str);
	}
	
	//无参构造方法
	public Hero(){
		System.out.println("调用了公有、无参构造方法执行了。。。");
	}
	
	//有一个参数的构造方法
	public Hero(char name){
		System.out.println("姓名：" + name);
	}
	
	//有多个参数的构造方法
	public Hero(String name ,float hp){
		System.out.println("姓名："+name+"血量："+ hp);
	}
	
	//受保护的构造方法
	protected Hero(boolean n){
		System.out.println("受保护的构造方法 n = " + n);
	}
	
	//私有构造方法
	private Hero(float hp){
		System.out.println("私有的构造方法   血量："+ hp);
	}

2. 通过反射机制获取对象

public class ConstructorTest {
	
	 
	/*
	 * 通过Class对象可以获取某个类中的：构造方法、成员变量、成员方法；并访问成员；
	 * 
	 * 1.获取构造方法：
	 * 		1).批量的方法：
	 * 			public Constructor[] getConstructors()：所有"公有的"构造方法
	            public Constructor[] getDeclaredConstructors()：获取所有的构造方法(包括私有、受保护、默认、公有)
	     
	 * 		2).获取单个的方法，并调用：
	 * 			public Constructor getConstructor(Class... parameterTypes):获取单个的"公有的"构造方法：
	 * 			public Constructor getDeclaredConstructor(Class... parameterTypes):获取"某个构造方法"可以是私有的，或受保护、默认、公有；
	 * 		
	 * 2.创建对象
	 * 		Constructor对象调用newInstance(Object... initargs)
	 */

	 
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		//1.加载Class对象
		Class clazz = Class.forName("pojo.Hero");
		
		
		//2.获取所有公有构造方法
		System.out.println("**********************所有公有构造方法*********************************");
		Constructor[] conArray = clazz.getConstructors();
		for(Constructor c : conArray){
			System.out.println(c);
		}
		
		
		System.out.println("************所有的构造方法(包括：私有、受保护、默认、公有)***************");
		conArray = clazz.getDeclaredConstructors();
		for(Constructor c : conArray){
			System.out.println(c);
		}
		
		System.out.println("*****************获取公有、无参的构造方法*******************************");
		Constructor con = clazz.getConstructor(null);
		//1>、因为是无参的构造方法所以类型是一个null,不写也可以：这里需要的是一个参数的类型，切记是类型
		//2>、返回的是描述这个无参构造函数的类对象。
		System.out.println("con = " + con);
		//调用构造方法
		Object obj = con.newInstance();
		
		
		System.out.println("******************获取私有构造方法，并调用*******************************");
		con = clazz.getDeclaredConstructor(float.class);
		System.out.println(con);
		//调用构造方法
		con.setAccessible(true);//暴力访问(忽略掉访问修饰符)
		obj = con.newInstance(100);
	}
	

}

3. 输出结果

**********************所有公有构造方法*********************************
public pojo.Hero(java.lang.String,float)
public pojo.Hero(char)
public pojo.Hero()
************所有的构造方法(包括：私有、受保护、默认、公有)***************
private pojo.Hero(float)
protected pojo.Hero(boolean)
public pojo.Hero(java.lang.String,float)
public pojo.Hero(char)
public pojo.Hero()
pojo.Hero(java.lang.String)
*****************获取公有、无参的构造方法*******************************
con = public pojo.Hero()
调用了公有、无参构造方法执行了。。。
******************获取私有构造方法，并调用*******************************
private pojo.Hero(float)
私有的构造方法   血量：100.0

4.4-获取一个对象的父类与实现的接口

public class TestReflect implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = -2862585049955236662L;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        Class<?> clazz = Class.forName("com.fangpeng.reflect.TestReflect");
        // 取得父类
        Class<?> parentClass = clazz.getSuperclass();
        System.out.println("clazz的父类为：" + parentClass.getName());
        // clazz的父类为： java.lang.Object
        // 获取所有的接口
        Class<?> intes[] = clazz.getInterfaces();
        System.out.println("clazz实现的接口有：");
        for (int i = 0; i < intes.length; i++) {
            System.out.println((i + 1) + "：" + intes[i].getName())；
        }
        // clazz实现的接口有：
        // 1：java.io.Serializable

    }

}

4.5-获取成员变量并使用

基本步骤

获取HeroPlus类的对象；
获取属性 Field f1 = h.getDeclaredField("属性名")
修改属性 f1.set(h，实参)，注意这里的h是对象，不是类对象

示例：

1. 新增HeroPlus类

public class HeroPlus {
	public String name;
    public float hp;
    public int damage;
    public int id;
     
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public HeroPlus(){
         
    }
    public HeroPlus(String string) {
        name =string;
    }
 
    @Override
    public String toString() {
        return "Hero [name=" + name + "]";
    }
    public boolean isDead() {
        // TODO Auto-generated method stub
        return false;
    }
    public void attackHero(HeroPlus h2) {
        System.out.println(this.name+ " 正在攻击 " + h2.getName());
    }
}

2. 获取属性并修改

public class ParaTest {
	 public static void main(String[] args) {
         HeroPlus h =new HeroPlus();
         //使用传统方式修改name的值为garen
         h.name = "garen";
        
         try {
             //获取类HeroPlus的名字叫做name的字段
             Field f1= h.getClass().getDeclaredField("name");
             //修改这个字段的值
             f1.set(h, "teemo");
             //打印被修改后的值
             System.out.println(h.name);
              
         } catch (Exception e) {
             // TODO Auto-generated catch block
             e.printStackTrace();
         }
 }
}

getField和getDeclaredField的区别：

getField 只能获取public的，包括从父类继承来的字段；
getDeclaredField 可以获取本类所有的字段，包括private的，但是不能获取继承来的字段。 (注：这里只能获取到private的字段，但并不能访问该private字段的值,除非加上setAccessible(true))。

4.6-获取某个类的全部方法

public class TestReflect implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = -2862585049955236662L;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        Class<?> clazz = Class.forName("com.fangpeng.reflect.TestReflect");
        Method method[] = clazz.getMethods();
      
        for (int i = 0; i < method.length; ++i) {
            Class<?> returnType = method[i].getReturnType();
            Class<?> para[] = method[i].getParameterTypes();
            int temp = method[i].getModifiers();
            System.out.print(Modifier.toString(temp) + " ");
            System.out.print(returnType.getName() + "  ");
            System.out.print(method[i].getName() + " ");
            System.out.print("(");
          
            for (int j = 0; j < para.length; ++j) {
                System.out.print(para[j].getName() + " " + "arg" + j);
                if (j < para.length - 1) {
                    System.out.print(",");
                }
            }

            Class<?> exce[] = method[i].getExceptionTypes();
          
            if (exce.length > 0) {
                System.out.print(") throws ");
                for (int k = 0; k < exce.length; ++k) {
                    System.out.print(exce[k].getName() + " ");
                    if (k < exce.length - 1) {
                        System.out.print(",");
                    }
                }
            } else {
                System.out.print(")");
            }
            System.out.println();
        }
    }

}

4.7-通过反射机制调用某个类的方法

public class TestReflect {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class<?> clazz = Class.forName("com.fangpeng.reflect.TestReflect");
        // 调用TestReflect类中的reflect1方法
        Method method = clazz.getMethod("reflect1");
        method.invoke(clazz.newInstance());

        // Java 反射机制 - 调用某个类的方法1.
        // 调用TestReflect的reflect2方法
        method = clazz.getMethod("reflect2", int.class, String.class);
        method.invoke(clazz.newInstance(), 20, "张三");

        // Java 反射机制 - 调用某个类的方法2.
        // age -> 20. name -> 张三

    }

    public void reflect1() {
        System.out.println("Java 反射机制 - 调用某个类的方法1.");
    }

    public void reflect2(int age, String name) {
        System.out.println("Java 反射机制 - 调用某个类的方法2.");
        System.out.println("age -> " + age + ". name -> " + name);
    }

}

4.8-通过反射机制操作某个类的属性

public class TestReflect {

    private String proprety = null;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        Class<?> clazz = Class.forName("ncom.fangpeng.reflect.TestReflect");
        Object obj = clazz.newInstance();

        // 可以直接对 private 的属性赋值
        Field field = clazz.getDeclaredField("proprety");
        field.setAccessible(true);
        field.set(obj, "Java反射机制");
        System.out.println(field.get(obj));

    }

}

4.9-反射机制的动态代理

//定义项目接口
interface Subject {
    public String say(String name, int age);
}

// 定义真实项目
class RealSubject implements Subject {
    public String say(String name, int age) {
        return name + "  " + age;
    }
}

class MyInvocationHandler implements InvocationHandler {

    private Object obj = null;

    public Object bind(Object obj) {
        this.obj = obj;
        return Proxy.newProxyInstance(obj.getClass().getClassLoader(), obj.getClass().getInterfaces(), this);
    }

    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        Object temp = method.invoke(this.obj, args);
        return temp;
    }

}

/**
 * 在java中有三种类类加载器。
 * 1）Bootstrap ClassLoader 此加载器采用c++编写，一般开发中很少见。
 * 2）Extension ClassLoader 用来进行扩展类的加载，一般对应的是jrelibext目录中的类
 * 3）AppClassLoader 加载classpath指定的类，是最常用的加载器。同时也是java中默认的加载器。
 * 如果想要完成动态代理，首先需要定义一个InvocationHandler接口的子类，已完成代理的具体操作。
 * 
 */
public class TestReflect {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyInvocationHandler demo = new MyInvocationHandler();
        Subject sub = (Subject) demo.bind(new RealSubject());
        String info = sub.say("Rollen", 20);
        System.out.println(info);
    }

}

5-反射机制的应用实例

5.1-在泛型为Integer的ArrayList中存放一个String类型的对象。

public class TestReflect {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
        Method method = list.getClass().getMethod("add", Object.class);
        method.invoke(list, "Java反射机制实例。");
        System.out.println(list.get(0));

    }

}

5.2-通过反射取得并修改数组的信息

public class TestReflect {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        int[] temp = { 1, 2, 3, 4, 5 };
        Class<?> demo = temp.getClass().getComponentType();
        System.out.println("数组类型： " + demo.getName());
        System.out.println("数组长度  " + Array.getLength(temp));
        System.out.println("数组的第一个元素: " + Array.get(temp, 0));
        Array.set(temp, 0, 100);
        System.out.println("修改之后数组第一个元素为： " + Array.get(temp, 0));

    }

}

5.3-通过反射机制修改数组的大小

public class TestReflect {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        int[] temp = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
        int[] newTemp = (int[]) arrayInc(temp, 15);
        print(newTemp);
        String[] atr = { "a", "b", "c" };
        String[] str1 = (String[]) arrayInc(atr, 8);
        print(str1);

    }

    // 修改数组大小
    public static Object arrayInc(Object obj, int len) {

        Class<?> arr = obj.getClass().getComponentType();
        Object newArr = Array.newInstance(arr, len);
        int co = Array.getLength(obj);
        System.arraycopy(obj, 0, newArr, 0, co);
        return newArr;

    }

    // 打印
    public static void print(Object obj) {
      
        Class<?> c = obj.getClass();
        if (!c.isArray()) {
            return;
        }

        System.out.println("数组长度为： " + Array.getLength(obj));
        for (int i = 0; i < Array.getLength(obj); i++) {
            System.out.print(Array.get(obj, i) + " ");
        }
        System.out.println();
    }

}

5.4-将反射机制应用于工厂模式

interface fruit {
    public abstract void eat();
}

class Apple implements fruit {

    public void eat() {
        System.out.println("Apple");
    }

}

class Orange implements fruit {

    public void eat() {
        System.out.println("Orange");
    }

}

class Factory {

    public static fruit getInstance(String ClassName) {

        fruit f = null;
        try {
            f = (fruit) Class.forName(ClassName).newInstance();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return f;
    }

}

/**
 * 对于普通的工厂模式当我们在添加一个子类的时候，就需要对应的修改工厂类。 当我们添加很多的子类的时候，会很麻烦。
 * 现在我们利用反射机制实现工厂模式，可以在不修改工厂类的情况下添加任意多个子类。
 * 但是有一点仍然很麻烦，就是需要知道完整的包名和类名，这里可以使用properties配置文件来完成。
 * 
 */

public class TestReflect {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        fruit f = Factory.getInstance("com.fangpeng.reflect.Apple");
        if (f != null) {
            f.eat();
        }
    }

}

6-反射的实现原理

Java反射应用十分广泛，例如spring的核心功能控制反转IOC就是通过反射来实现的。

如下为Method类中invoke方法，可以看出该方法实际是将反射方法的调用委派给MethodAccessor，通过MethodAccessor的invoke方法完成方法调用。该接口有两个现有的实现类，一个是直接调用本地方法，另一个是通过委派模式。Mehod的实例第一次调用都会生成一个委派实现，它实现的就是一个本地实现，相当于在Method和本地实现之间加了一个中间层，本地实现比较好理解，就是讲参数准备好，然后进入目标方法。
通过如下代码进行一个简单的测试，通过打印的堆栈信息可以看出，Method实例的invoke方法首先调用的是委派实现DelegatingMethodAccessorImpl的invoke方法，最后调用本地实现。那么为什么会加上一个看似多余的中间委派层呢？实际上，java语言实现反射的方法除了本地实现之外，还会采用动态生成字节码的方式直接调用目标方法，运用委派模式的目的就是在本地实现和动态实现之间进行切换。

public class TestReflect {
    public static void target(int i) {
        new RuntimeException("让我们来看看方法调用栈").printStackTrace();
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
    Class<?> klass = Class.forName("com.fangpeng.reflect.TestReflect");
        Method method = klass.getMethod("target", int.class);
        method.invoke(null, 128);
    }
}

方法调用栈如下所示:

java.lang.RuntimeException: 让我们来看看方法调用栈
    at com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.target(TestReflect.java:12)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
    at com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.main(TestReflect.java:47)

动态实现和本地实现相比，其运行效率是本地实现的20倍左右，但是第一次生成字节码是比较耗时的，所以仅单次调用的话，本地实现的性能反而是动态实现的3到4倍。JVM通过参数-Dsun.reflect.inflationThresHold来进行调整，默认是15次，即前15次调用会使用本地实现，15次之后会生成字节码，采用动态实现的方式。我们将方法的调用循环20次得到结果如下所示：

java.lang.RuntimeException: 让我们来看看第15次方法调用栈
    at com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.target(TestReflect.java:12)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
    at com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.main(TestReflect.java:48)
java.lang.RuntimeException: 让我们来看看第16次方法调用栈
    at com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.target(TestReflect.java:12)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
    at com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.main(TestReflect.java:48)
java.lang.RuntimeException: 让我们来看看第17次方法调用栈
    at com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.target(TestReflect.java:12)
    at sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1.invoke(Unknown Source)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
    at com.kafka.demo.com.kafka.demo.test.TestReflect.main(TestReflect.java:48)

在第十六次方法调用的过程中动态生成了字节码，并在第十七次方法调用的过程中就直接使用GenerateMethodAccessor1了。

7-反射的性能

一般都认为反射是比较消耗性能的，就连甲骨文关于反射的教学中也强调反射性能开销大的缺点。从上面的例子来看，Class.forName()需要调用本地方法，getMethod()方法需要遍历目标类的所有方法，如果没有匹配到还需要遍历父类的所有方法，这些都是比较消耗性能的操作，但是我们可以将它们的实例对象放在缓存中，来减小对性能的影响，这里我们主要讨论Method实例的invoke方法对性能的影响。

我做了一个简单的实验来进行验证，将一个空方法直接调用20亿次，每1亿次打印一个该阶段的运行时间，取最后五次时间求取平均值（这样做的目的是为了得到预热峰值性能），在我32G内存的ThinkStation上面直接调用1亿次耗时90ms，通过反射调用平均耗时为300ms，约为直接调用的3.3倍。前文中介绍过动态实现和本地实现，由于本地实现比较消耗性能，通过-Dsun.reflect.noInflation=true来关闭本地实现直接使用动态实现，此时平均耗时为270ms，约为直接调用的3倍。此外方法调用时需要检查方法的权限，如果跳过权限检测过程，即设置method.setAccessible(true)，此时平均耗时为210ms，约为直接调用的2倍左右。

至此我们可以看出对于反射的应用会对性能造成一定的影响，但是可以通过优化减小影响。那是不是为了性能就杜绝使用反射呢？显然不是，前文中提到IOC就是用反射实现的，类似接口和实现类，接口的使用也是对性能有影响的（虽然这个影响可以忽略不计，也许这个类比也不太确切），但是不能为了一点性能的提升而放弃优雅的设计模式。