Java类型信息与反射机制 Java 类型信息详解和反射机制介绍
低吟不作语 人气:0RTTI
RTTI(RunTime Type Information)运行时类型信息,能够在程序运行时发现和使用类型信息,把我们从只能在编译期知晓类型信息并操作的局限中解脱出来
传统的多态机制正是 RTTI 的基本使用:假设有一个基类 Shape 和它的三个子类 Circle、Square、Triangle,现在要把 Circle、Square、Triangle 对象放入 List<Shape> 中,在运行时,先把放入其中的所有对象都当作 Object 对象来处理,再自动将类型转换为 Shape。所有类型转换的正确性检查都是在运行时进行的,这也正是 RTTI 的含义所在:在运行时,识别一个对象的类型
但这样的类型转换并不彻底,Object 只是被转型为 Shape,而不是更具体的 Circle、Square、Triangle,如果我们希望得到更具体的类型呢?比如说我们现在需要旋转所有图形,但是想跳过圆形(圆形旋转没有意义),这时可以使用 RTTI 查询某个 Shape 引用所指向对象的确切类型,然后选择进行合适的处理
Class 对象
众所周知,每当我们编写并编译了一个新类,就会产生一个 Class 对象,它包含了与类有关的信息。我们可以使用 Class 对象来实现 RTTI,一旦某个类的 Class 对象被载入内存,它就可以用来创建这个类的所有对象
Class 对象都属于 Class 类型,既然它也是对象,那我们就可以获取和操控它的引用。forName() 是 Class 类的一个静态方法,我们可以使用 forName() 根据目标类的全限定名(包含包名)得到该类的 Class 对象。使用 forName() 会有一个副作用,那就是如果这个类没有被加载就会加载它,而在加载的过程中,Gum 类的 static 初始块会被执行。当 Class.forName() 找不到要加载的类,就会抛出异常
ClassNotFoundException
Class gumClass = Class.forName("Gum");
使用 Class.forName() 你不需要先持有这个类型的对象,但如果你已经拥有了目标类的对象,那就可以通过调用 getClass() 方法来获取 Class 引用,这个方法来自根类 Object,它将返回表示该对象实际类型的 Class 对象的引用
Gum gum = new Gum();
Class gumClass = gum.getClass();
另外,你还可以调用 getSuperclass() 方法来得到父类的 class 对象,再用父类的 Class 对象调用该方法,重复多次,你就可以得到一个完整的类继承结构
Class 对象的 newInstance() 方法可以让你在不知道一个的确切类型的时候创建这个类的对象,使用 newInstance() 来创建的类,必须带有无参数的构造器
Object obj = gumClass.newInstance();
当然,由于得到的是 Object 的引用,目前你只能给它发送 Object 对象能接受的调用。如果你想请求具体对象才有的调用,你就得先获取该对象的更多类型信息,并执行转型
Java 还提供了另一种生成类对象的引用:类字面常量,这样做不仅更简单,而且更安全,因为它在编译时就会收到检查(不用放在 try 语句块中),而且根除了对 forName() 方法的调用,效率更高
Class gumClass = Gum.class;
类字面常量不仅可以用于普通类,也可以用于接口、数组以及基本数据类型。对于基本数据类型的包装类,还有一个标准字段 Type,Type 字段是一个引用,指向对应基本数据类型的 Class 对象,例如 int.class 就等价于 Integer.TYPE。还有一点值得注意的是:使用 .class 语法来获得对类对象的引用不会触发初始化
到这里我们都知道了,Class 引用总是指向某个 Class 对象,而 Class 对象可以用于产生类的实例。不过自从 Java 引入泛型以后,我们就可以使用泛型对 Class 引用所指向的 Class 对象的类型进行限定,让它的类型变得更具体些
Class intClass = int.class; Class<Integer> genericIntClass = int.class; intClass = genericIntClass; // 同一个东西 // genericIntClass = double.class 非法
好了,既然拿到了 Class 对象,那我们就可以这个类的类型信息,常用的方法如下:
方法 | 用途 |
---|---|
asSubclass(Class clazz) | 把传递的类的对象转换成代表其子类的对象 |
Cast | 把对象转换成代表类或是接口的对象 |
getClassLoader() | 获得类的加载器 |
getClasses() | 返回一个数组,数组中包含该类中所有公共类和接口类的对象 |
getDeclaredClasses() | 返回一个数组,数组中包含该类中所有类和接口类的对象 |
forName(String className) | 根据类名返回类的对象 |
getName() | 获得类的完整路径名字 |
newInstance() | 创建类的实例 |
getPackage() | 获得类的包 |
getSimpleName() | 获得类的名字 |
getSuperclass() | 获得当前类继承的父类的名字 |
getInterfaces() | 获得当前类实现的类或是接口 |
类型转换检测
到目前为止,我们已知的 RTTI 类型包括:
- 传统的类型转换,如多态
- 代表对象类型的 Class 对象
RTTI 在 Java 中还有第三种形式,那就是关键字 instanceof,它返回一个布尔值,告诉我们对象是不是某个特定类型的实例,可以用提问的方式使用它
Java 还提供了 Class.isInstance() 方法动态检测对象类型,例如
0 instance of String // 编译报错 String.class.isInstance(0) // 可以通过编译
反射
如果你不知道对象的确切类型,RTTI 会告诉你,但是有一个限制:必须在编译时知道类型,才能使用 RTTI 检测它。换句话说,编译器必须知道你使用的所有类
看上去这并不是什么特别大的限制,但假设你引用了一个不在程序空间中的对象,比如你从磁盘文件或网络连接中获得大量的字节,并被告知这些字节代表一个类,那该怎么办呢?
类 Class 支持反射的概念,java.lang.reflect 库中支持类 Field、Method、Constructor(每一个都实现了 Member 接口),这些类型的对象由 JVM 运行时创建,以表示未知类中的对应成员。通常我们不会直接使用反射,但反射可以用来支持其他 Java 特性,例如对象序列化等
Field 代表类的成员变量(成员变量也称为类的属性),Class 类中定义了如下方法用来获取 Field 对象
方法 | 用途 |
---|---|
getField(String name) | 获得某个公有的属性对象 |
getFields() | 获得所有公有的属性对象 |
getDeclaredField(String name) | 获得某个属性对象 |
getDeclaredFields() | 获得所有属性对象 |
Field 类定义了如下方法设置成员变量的信息
方法 | 用途 |
---|---|
equals(Object obj) | 属性与 obj 相等则返回 true |
get(Object obj) | 获得 obj 中对应的属性值 |
set(Object obj, Object value) | 设置 obj 中对应属性值 |
Method 代表类的方法,Class 类中定义了如下方法用来获取 Method 对象
方法 | 用途 |
---|---|
getMethod(String name, Class...<?> parameterTypes) | 获得该类某个公有的方法 |
getMethods() | 获得该类所有公有的方法 |
getDeclaredMethod(String name, Class...<?> parameterTypes) | 获得该类某个方法 |
getDeclaredMethods() | 获得该类所有方法 |
Method 类定义了如下方法对方法进行调用
方法 | 用途 |
---|---|
invoke(Object obj, Object... args) | 传递 object 对象及参数调用该对象对应的方法 |
Constructor 代表类的构造器,Class 类中定义了如下方法用来获取 Constructor 对象
方法 | 用途 |
---|---|
getConstructor(Class...<?> parameterTypes) | 获得该类中与参数类型匹配的公有构造方法 |
getConstructors() | 获得该类的所有公有构造方法 |
getDeclaredConstructor(Class...<?> parameterTypes) | 获得该类中与参数类型匹配的构造方法 |
getDeclaredConstructors() | 获得该类所有构造方法 |
Constructor 代表类的构造方法
方法 | 用途 |
---|---|
newInstance(Object... initargs) | 根据传递的参数创建类的对象 |
除了成员变量、方法和构造器以外,反射还能获取其他更多的信息,例如注解等,具体可查阅 Java API
反射的强大威力大家已经看到了,通过反射我们甚至可以获取到一些“本不应该获取”的信息,例如程序员为了降低耦合,往往会使用接口来隔离组件,但反射却可以轻易破解
public interface A { void f(); } class B implements A { public void f() {} public void g() {} } public class InterfaceViolation { public static void main(String[] args) { A a = new B(); a.f(); // a.g(); // 编译错误 if (a instanceof B) { B b = (B) a; b.g(); } } }
通过使用 RTTI,我们发现 a 是用 B 实现的,只要将其转型为 B,我们就可以调用不在 A 中的方法。如果你不希望客户端开发者这样做,那该如何解决呢?一种解决方案是直接声明为实际类型,另一种则是让实现类只具有包访问权限,这样包外部的客户端就看不到实现类了
除了这个以外,通过反射可以获得所有成员信息,包括 private 的,通常这种违反访问权限的操作并不是十恶不赦的,也许还可以帮助你解决某些特定类型的问题
动态代理
代理是基本的设计模式之一,一个对象封装真实对象,代替真实对象提供其他不同的操作,这些操作通常涉及到与真实对象的通信,因此代理通常充当中间对象。下面是一个简单的静态代理的示例:
interface Interface { void doSomething(); } class RealObject implements Interface { @Override public void doSomething() { System.out.println("doSomething"); } } class SimpleProxy implements Interface { private Interface proxied; SimpleProxy(Interface proxied) { this.proxied = proxied; } @Override public void doSomething() { System.out.println("SimpleProxy doSomething"); proxied.doSomething(); } } class SimpleProxyDemo { public static void consumer(Interface iface) { iface.doSomething(); } public static void main(String[] args) { consumer(new RealObject()); consumer(new SimpleProxy(new RealObject())); } }
当你希望将额外的操作与真实对象做分离时,代理可能会有所帮助,而 Java 的动态代理更进一步,不仅动态创建代理对象,而且可以动态地处理对代理方法的调用。在动态代理上进行的所有调用都会重定向到一个调用处理程序,该程序负责发现调用的内容并决定如何处理,下面是一个简单示例:
class DynamicProxyHandler implements InvocationHandler { private Object proxied; DynamicProxyHandler(Object proxied) { this.proxied = proxied; } @Override public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable { return method.invoke(proxied, args); } } class SimpleDynamicProxy { public static void consumer(Interface iface) { iface.doSomething(); } public static void main(String[] args) { RealObject real = new RealObject(); Interface proxy = (Interface) Proxy.newProxyInstance( Interface.class.getClassLoader(), new Class[]{Interface.class}, new DynamicProxyHandler(real)); consumer(proxy); } }
通过调用静态方法 Proxy.newProxyInstance() 来创建动态代理,该方法需要三个参数:类加载器、希望代理实现的接口列表、以及接口 InvocationHandler 的一个实现。InvocationHandler 正是我们所说的调用处理程序,动态代理的所有调用会被重定向到调用处理程序,因此通常为调用处理程序的构造函数提供一个真实对象的引用,以便执行中间操作后可以转发请求
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