反射机制学习笔记(尚硅谷康师傅2023)(一)

简介: 反射机制学习笔记(尚硅谷康师傅2023)(一)

资料&笔记

反射的概述

  • Reflection(反射)是被视为动态语言的关键,反射机制允许程序在执行期借助于Reflection API取得任何类的内部信息,并能直接操作任意对象的内部属性及方法。
  • 动态语言
  • 是一类在运行时可以改变其结构的语言。
  • 例如,新的函数、对象、甚至代码可以被引进,已有的函数可以被删除或是其他结构上的变化。
  • 通俗点说就是在运行时代码可以根据某些条件改变自身结构。
  • 主要动态语言:Object-C、C#、JavaScript、PHP、Python、Erlang。
  • 静态语言
  • 与动态语言相对应的,运行时结构不可变的语言就是静态语言。
  • 如,Java、C、C++。
  • Java不是动态语言,但Java可以称之为“准动态语言”。
  • 即Java有一定的动态性,我们可以利用反射机制、字节码操作获得类似动态语言的特性。
  • Java的动态性让编程的时候更加灵活。

反射的体验

  • 定义一个类 Person:
public class Person {
  // 属性
    private String name;
    public int age;
    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public int getAge() {
        return age;
    }
    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    private Person(String name) {
        this.name = name;
    }
    public Person() {
        System.out.println("Person()");
    }
    public void show(){
        System.out.println("你好,我是一个人");
    }
    private String showNation(String nation){
        System.out.println("我的国籍是:" + nation);
        return nation;
    }
}
  • 在学习反射之前,可以实现的操作:
  • 通过Person类实例化一个person对象
  • 可以通过实例化的person对象调用person对象的属性和方法,除了私有方法和私有属性及私有的构造器
  • 反射可以实现的操作:
import org.junit.Test;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Method;
public class ReflectionTest {
    @Test
    public void test() throws Exception {
        // 1. 通过反射获取Person类对应的Class类型的实例对象
        // 获取的Class类型对象可以认为就是Person类
        Class personClass = Person.class;
        // 2. 通过反射(通过Person类对应的Class类型的实例对象)获取Person类的构造器
        // 获取参数为String类型和int类型的构造器
        Constructor personPublicConstructor = personClass.getConstructor(String.class, int.class);
        // 3. 通过反射(通过获取的Person类的构造器)实例化person对象
        // 实例化的对象 name = “ZS”; age = 18
        Object personObj = personPublicConstructor.newInstance("ZS", 18);
        System.out.println(personObj);
        // 4. 通过反射获取类的属性和方法
        // 获取Person类的属性
        Field personAgeField = personClass.getField("age");
        // 通过获取的Person类的属性修改person对象personObj的age属性
        personAgeField.set(personObj, 10);
        System.out.println(personObj);
        // 获取Person类的方法
        Method personShowMethod = personClass.getMethod("show");
        // 通过反射调用person对象personObj的show方法
        personShowMethod.invoke(personObj);
        System.out.println("===========================================");
        // 5. 通过反射获取Person类的私有结构,私有方法、私有属性等
        // 通过反射获取Person类的私有构造器
        Constructor personPrivateConstructor = personClass.getDeclaredConstructor(String.class);
        personPrivateConstructor.setAccessible(true); // 允许调用私有构造器
        // 使用Person类的私有构造器实例化对象
        Person personObj2 = (Person) personPrivateConstructor.newInstance("LS");
        System.out.println(personObj2);
        // 6. 通过反射获取私有属性和方法
        // 获取私有属性
        Field name = personClass.getDeclaredField("name");
        name.setAccessible(true); // 允许调用私有属性
        name.set(personObj2, "WW");
        System.out.println(personObj2);
        // 获取私有方法
        Method showNation = personClass.getDeclaredMethod("showNation", String.class);
        showNation.setAccessible(true); // 允许调用私有方法
        String nation = (String) showNation.invoke(personObj2, "China");
        System.out.println(nation);
    }
}

  1. 面向对象中创建对象,调用指定结构(属性、方法)等功能,可以不使用反射,也可以使用反射。请问有什么区别?
  • 不使用反射,我们需要考虑封装性。比如:出了Person类之后,就不能调用Person类中私有的结构
  • 使用反射,我们可以调用运行时类中任意的构造器、属性、方法。包括了私有的属性、方法、构造器。
  1. 以前创建对象并调用方法的方式,与现在通过反射创建对象并调用方法的方式对比的话,哪种用的多?场景是什么?
  • 从我们作为程序员开发者的角度来讲,我们开发中主要是完成业务代码,对于相关的对象、方法的调用都是确定的。所以,我们使用非反射的方式多一些。
  • 因为反射体现了动态性,可以在运行时动态的获取对象所属的类,动态的调用相关的方法,所以我们在设计框架的时候,会大量的使用反射。
  • 意味着,如果大家需要学习框架源码,那么就需要学习反射。
  • 框架 = 注解 + 反射 + 设计模式
  • 疑问:通过直接new的方式或反射的方式都可以调用公共的结构,开发中到底用那个?
  • 一般情况下开发,直接使用new的方式。
  • 什么时候会使用反射的方式。
  • 反射的特征:动态性。
  • 当我们在开发时候不知道具体要实例化哪个类,但是在项目运行的时候可以知道具体要实例化哪个类的时候,可以使用反射。
  • 例如,web中,服务器不知道浏览器到底会发送什么请求,但是在项目运行时可以根据具体的请求可以确定需要进行的逻辑处理,此时能够确定要实例化哪个对象,这种情况下可以使用反射。
  1. 单例模式的饿汉式和懒汉式中,私有化类的构造器了! 此时通过反射,可以创建单例模式中类的多个对象吗?
  • 是的!
  1. 通过反射,可以调用类中私有的结构,是否与面向对象的封装性有冲突?是不是Java语言设计存在Bug?
  • 不存在bug!
  • 封装性:体现的是是否建议我们调用内部api的问题。比如,private声明的结构,意味着不建议调用。
  • 反射:体现的是我们能否调用的问题。因为类的完整结构都加载到了内存中,所有我们就有能力进行调用。
  • Java代码运行时,加载完类之后,在堆内存的方法区中就产生了一个Class类型的对象(一个类只有一个Class对象),这个对象就包含了完整的类的结构信息。我们可以通过这个对象看到类的结构。
  • 反射,即有一个对象,但这个对象的类型为Class类型,一个Class类型的对象对应一个Java类,我们可以通过这个对象获取对应的Java类的结构信息,即可以获取这个Class类型对象对应Java类的方法和属性信息及其他信息。

反射的功能

  • 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
  • 在运行时获取泛型信息
  • 在运行时调用任意一个对象的成员变量和方法
  • 在运行时处理注解
  • 生成动态代理

反射相关的 API

  • 与反射相关的API主要定义在lang包和lang包的子包下。
  • java.lang.Class:代表一个类
  • Class类是由所有的Java类抽象出来的一个类,所有的Java类都是Class类的实例对象,所有的Java类都是有Class类实例化出来的对象,所有的Java类的类型为Class。
  • java.lang.reflect.Method:代表类的方法
  • java.lang.reflect.Field:代表类的成员变量
  • java.lang.reflect.Constructor:代表类的构造器
  • ······

反射的优缺点

  • 优点:
  • 提高了Java程序的灵活性和扩展性,降低了耦合性,提高自适应能力
  • 允许程序创建和控制任何类的对象,无需提前硬编码目标类
  • 缺点:
  • 反射的性能较低。
  • 反射机制主要应用在对灵活性和扩展性要求很高的系统框架上
  • 反射会模糊程序内部逻辑,可读性较差。

Class类的理解

  • 针对于编写好的.java源文件进行编译(使用javac.exe),会生成一个或多个.class字节码文件。接着,我们使用java.exe命令对指定的.class文件进行解释运行。这个解释运行的过程中,我们需要将.class字节码文件加载(使用类的加载器)到内存中(存放在方法区)。加载到内存中的.class文件对应的结构即为Class的一个实例。
  • 例如:加载到内存中的Person类或String类或User类,都是Class的一个一个的实例
  • Class clazz1 = Person.class;
  • Class clazz2 = String.class;
  • Class clazz3 = User.class;
  • Class clazz4 = Comparable.class;
  • 加载到内存中的类为运行时类
  • 反射的所有操作,如:获取类的构造器、方法、属性等操作,都需要先获取Java类对应的Class类型对象,在基于Class类型对象实现获取Java类的构造器等操作。所以说Class类型对象是反射的源头。

获取Class实例的方式

@Test
    public void test01() throws ClassNotFoundException {
        // 方式一:
        // 通过调用运行时类的class属性获取Class实例
        // Class<T> Class带泛型
        // 获取的Class实例对象就是User类本身
        Class userClass1 = User.class;
        System.out.println(userClass1);
        // 方式二:
        // 通过运行时类的对象的getClass()方法获取Class实例
        // 不管哪个对象都可以获取到该对象是由哪个类实例化的
        User user = new User();
        Class userClass2 = user.getClass();
        System.out.println(userClass2);
        // 方式三:
        // 调用Class的静态方法,forName(String classPath)获取Class实例
        // classPath为类的全类名,全类名包含包名在内的类的完整路径
        String className = "study01.User";
        Class userClass3 = Class.forName(className); // 在内存中加载User类
        System.out.println(userClass3);
        // 方式四:
        // 使用当前类的加载器Classloader调用加载器中的loadClass(String classPath)方法获取Class实例
        // classPath为类的全类名
        // 获取系统类加载器调用加载器中的loadClass(String classPath)方法获取Class实例
        Class userClass4 = ClassLoader.getSystemClassLoader().loadClass(className); // 在内存中加载User类
        System.out.println(userClass4);
        // 不同的方法获取都是同一个Class实例对象,即都是同一个运行时类
        System.out.println(userClass1 == userClass1);
        System.out.println(userClass1 == userClass2);
        System.out.println(userClass1 == userClass3);
        System.out.println(userClass1 == userClass4);
    }

可以作为Class对象的类型

  • 简言之,所有Java类型!
  • (1)class:外部类,成员(成员内部类,静态内部类),局部内部类,匿名内部类
  • (2)interface:接口
  • (3)[]:数组
  • 对于数组,只要数组中元素的类型和数组的维度相同,则获取到的数组对应的Class就是同一个Class的实例对象
  • 注意:与数组的长度无关,即与每个维度中数据元素的个数无关
  • (4)enum:枚举
  • (5)annotation:注解@interface
  • (6)primitive type:基本数据类型
  • (7)void
  • (8)Class

类的加载过程

  • 类的加载过程,就是类对应的字节码文件加载到Java虚拟机的方法区中的过程
  • 加载到内存中的类,我们就称为运行时类,此运行时类,是Class的一个实例。
  • 以Person类为例,对Person.java文件进行编译,会生成一个对应的Person.class文件,然后运行Person.class字节码文件,即将Person类加载到内存中,此时内存中的Person类就是一个运行时类,为Class的实例对象。
  • 换句话说,Class的实例就对应着一个运行时类。
  • 加载到内存中的运行时类,会缓存一定的时间。在此时间之内,我们可以通过不同的方式来获取此运行时类。

  • 类加载到方法区中需要经历:类的装载(loading)=> 类的链接(linking)=> 类的初始化(initialization)

类的装载(loading)

  • 类的装载:通过类加载器,将类的class文件读入内存,并为之创建一个java.lang.Class对象
  • 所以在类的装载这个过程完成之后,内存中就有了类对应的Class实例对象
  • 创建的java.lang.Class对象作为方法区中类数据的访问入口,所有需要访问和使用类数据只能通过这个Class对象
  • 类的装载这个过程需要类加载器的参与。

类的链接(linking)

  • 验证(Verify):确保加载的类信息符合JVM规范,如,Java能够识别的字节码文件都是以“cafebabe”开头,没有安全方面的问题
  • 准备(Prepare):正式为类变量(static)分配内存并设置类变量默认初始值的阶段,这些内存都将在方法区中进行分配
  • 准备阶段就是为类的静态变量分配方法区的内存空间并为其赋默认的初始值
  • 解析(Resolve):虚拟机常量池内的符号引用(常量名)替换为直接引用(地址)的过程。
  • 在字节码文件还未被加载到内存中时,程序中使用的地址为符号引用地址,并不是内存中的真实地址,当字节码文件记载到内存之后,不能再使用符号引用地址,因为在内存中使用符号引用地址不能找到真正需要的变量在内存中的位置,所以需要替换为直接引用地址,即在内存中的真正可以使用的地址

类的初始化(initialization)

  • 类的初始化过程,是执行类构造器<clinit>()方法的过程。
  • 类构造器<clinit>()方法是由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并产生的。
  • 类构造器是构造类信息的,不是构造该类对象的构造器。
  • 类的初始化过程,就是为类中的静态变量赋程序员指定的初始值的过程,以及执行静态代码块的过程
  • 当初始化一个类的时候,如果发现其父类还没有进行初始化,则需要先触发其父类的初始化。
  • 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确加锁和同步。

类的加载器

类加载器的作用

  • 负责类的加载,并生成一个对应的Class的实例对象
  • 类加载器会将class文件字节码内容加载到内存中,并将静态数据转换成方法区的运行时数据结构,然后在堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,该对象作为方法区中类数据的访问入口。
  • 类缓存: 标准的JavaSE类加载器可以按要求查找类,但一旦某个类被类加载器加载到内存中,它将维持加载(缓存)一段时间。

类加载器的分类(以 JDK8 为例)

  • 引导类加载器(Bootstrap ClassLoader),或者称为启动类加载器
  • 这个类加载使用C/C++语言实现的,嵌套在JVM内部,获取它的对象时往往返回null,不能通过Java代码获取其实例对象
  • 它用来加载Java的核心库(JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar或sun.boot.class.path路径下的内容)。用于提供JVM自身需要的类。
  • 继承于 ClassLoader 的类加载器
  • 扩展类加载器(ExtensionClassLoader)
  • Java语言编写,由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。
  • 继承于ClassLoader类
  • 父类加载器为启动类加载器
  • 启动类加载器与扩展类加载器并没有继承关系,启动类加载器为父类加载器,是由于扩展类加载器中有一个属性parent指向启动类加载器
  • 从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库,或从JDK的安装目录的jre/lib/ext子目录下加载类库。如果用户创建的JAR放在此目录下,也会自动由扩展类加载器加载。
  • 系统类加载器或应用程序类加载器(SystemClassLoader/ApplicationClassLoader)
  • java语言编写,由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现
  • 继承于ClassLoader类
  • 父类加载器为扩展类加载器
  • 扩展类加载器与系统类加载器并没有继承关系,扩展类加载器为父类加载器,是由于系统类加载器中有一个属性parent指向扩展类加载器
  • 实际上,扩展类加载器与系统类加载器为并列关系,都继承于ClassLoader类
  • 它负责加载环境变量classpath或系统属性 java.class.path 指定路径下的类库
  • 用户自定义的类,默认使用该类加载器加载
  • 应用程序中的类加载器默认是系统类加载器。
  • 它是用户自定义类加载器的默认父加载器
  • 通过ClassLoader的getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器
  • 用户自定义类加载器

类加载器的使用

ClassLoader 获取类加载器

@Test
public void test01() {
    // 获取系统类加载器
    // 该方法默认获取的类加载器为系统类加载器
    // SystemClassLoader就是ApplicationClassLoader
    ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
    System.out.println(systemClassLoader);
    // 获取系统类加载器的父加载器 ExtensionClassLoader
    ClassLoader extensionClassLoader = systemClassLoader.getParent();
    System.out.println(extensionClassLoader);
    // 获取引导类记载器
    ClassLoader bootstrapClassLoader = extensionClassLoader.getParent();
    System.out.println(bootstrapClassLoader);
}

获取加载某个类的加载器

@Test
public void test02() throws ClassNotFoundException {
    // 获取User类的运行时类对象,对应的Class实例对象
    Class<User> userClass = User.class;
    // 获取加载User类的加载器
    ClassLoader classLoader = userClass.getClassLoader();
    // jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@63947c6b
    // 用户自定义的类是系统类加载器加载的
    System.out.println(classLoader);
    // 将 String 这个类主动进行加载
    Class<?> stringClass = Class.forName("java.lang.String");
    // 获取加载String的类加载器
    ClassLoader stringClassClassLoader = stringClass.getClassLoader();
    // null
    // java核心库中的类有引导类加载器加载
    System.out.println(stringClassClassLoader);
}

双亲委派机制

  • 当有个类要进行加载时,先交给系统类加载器进行加载,但是系统类加载器并不会真正进行加载,而是会将该类交给扩展类加载器进行加载,当然扩展类加载器也不会直接进行加载,而是会将其交给引导类加载器进行加载,引导类加载器会进行判断自己是否合适加载该类(该类是否在规定的自己加载类的目录下),是则加载该类,下面的扩展类加载器和系统类加载器则不会加载该类,否则不加载该类,将该类交给扩展类加载器进行加载,扩展类加载器会进行判断自己是否合适加载该类(该类是否在规定的自己加载类的目录下),是则加载该类,下面的系统类加载器则不会加载该类,否则不加载该类,将该类交给系统类加载器进行加载,最后系统类加载器会进行加载

  • 该机制可以放置核心库中的类被用户自定义的同包同名的类覆盖,例如,对于java.lang.String该名字的类,启动类加载器会判断出该类应该由自己进行加载,然后会去java核心类库中加载相应的类,从而放置核心类被覆盖,可以保护程序
package java.lang;
/**
 * ClassName: String
 * Package: java.lang
 * Description:
 *
 * @Author tcw
 * @Create 2023-05-22 18:32
 * @Version 1.0
 */
public class String {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world...");
    }
}

用户自定义类加载器

  • 对于一个类(class字节码文件),每个类加载器只能加载一次该类字节码文件
  • 对于一个类,如果需要在内存中加载多次,则需要自定义类加载器
  • 使用场景:如果对于某个类,具有多个不同的版本,都想加载到内存中,此时就需要自定义类加载器

使用类加载器获取流加载配置文件

  • 通过ClassLoader加载指定的配置文件

原先加载配置文件

@Test
public void test5() throws Exception {
    // 实例化Properties对象
    Properties pros =  new Properties();
    // 获取文件输入流对象
    // 文件默认位于当前模块下(测试方法默认从当前模块下开始读取文件)
    FileInputStream fis = new FileInputStream("jdbc.properties");
    // Properties对象加载配置文件中的内容
    pros.load(fis);
    // 读取配置文件中的user password
    String user = pros.getProperty("user");
    String password = pros.getProperty("password");
    System.out.println("user = " + user + ",password = " + password);
}

使用类加载器加载配置文件

  • 使用该方式读取配置文件,默认的读取位置为:当前模块的src下
@Test
public void test6() throws Exception {
    Properties pros =  new Properties();
    // 使用ClassLoader获取系统类加载器
    ClassLoader classLoader = ClassLoader.getClassLoader();
  // 通过系统类加载器以流的方式获取资源
    // 使用该方式读取配置文件,默认的读取位置为:当前模块的src下
    InputStream is = classLoader.getResourceAsStream("jdbc1.properties");
    // Properties对象加载配置文件中的内容
    pros.load(is);
    // 读取数据
    String user = pros.getProperty("user");
    String password = pros.getProperty("password");
    System.out.println("user = " + user + ",password = " + password);
}

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