Java春招面试复习：Java反射的入门到实践，再到原理

前言

反射是Java底层框架的灵魂技术，学习反射非常有必要，本文将从入门概念，到实践，再到原理讲解反射，希望对大家有帮助。

反射理解

官方解析

Oracle 官方对反射的解释是：

Reflection is commonly used by programs which require the ability to examine or
modify the runtime behavior of applications running in the Java virtual machine.
This is a relatively advanced feature and should be used only by developers who
have a strong grasp of the fundamentals of the language. With that caveat in
mind, reflection is a powerful technique and can enable applications to perform
operations which would otherwise be impossible.

Java 的反射机制是指在运行状态中，对于任意一个类都能够知道这个类所有的属性和方法； 并且对于任意一个对象，都能够调用它的任意一个方法；这种动态获取信息以及动态调用对象方法的功能成为Java语言的反射机制。

白话理解

正射

万物有阴必有阳，有正必有反。既然有反射，就必有“正射”。

那么正射是什么呢？

我们在编写代码时，当需要使用到某一个类的时候，都会先了解这个类是做什么的。然后实例化这个类，接着用实例化好的对象进行操作，这就是正射。

Student student = new Student();
student.doHomework("数学");

反射

反射就是，一开始并不知道我们要初始化的类对象是什么，自然也无法使用 new 关键字来创建对象了。

 Class clazz = Class.forName("reflection.Student");
 Method method = clazz.getMethod("doHomework", String.class);
 Constructor constructor = clazz.getConstructor();
 Object object = constructor.newInstance();
 method.invoke(object, "语文");
​```java

#### 正射与反射对比
以上两段代码，执行效果是一样的，如图

![](https://user-gold-cdn.xitu.io/2019/12/13/16efff4ccf899e66?w=1071&h=716&f=png&s=91450)

但是，其实现的过程还是有很大的差别的：

- 第一段代码在未运行前就已经知道了要运行的类是```Student```；
- 第二段代码则是到整个程序运行的时候，从字符串```reflection.Student```，才知道要操作的类是```Student```。


#### 结论

反射就是在运行时才知道要操作的类是什么，并且可以在运行时获取类的完整构造，并调用对应的方法。

## Class 对象理解
要理解Class对象，我们先来了解一下**RTTI**吧。
**RTTI（Run-Time Type Identification）运行时类型识别**，其作用是在运行时识别一个对象的类型和类的信息。

Java是如何让我们在运行时识别对象和类的信息的？主要有两种方式：
一种是传统的**RRTI**，它假定我们在编译期已知道了所有类型。
另一种是反射机制，它允许我们在运行时发现和使用类的信息。

**每个类都有一个Class对象**，每当编译一个新类就产生一个Class对象（更恰当地说，是被保存在一个同名的.class文件中）。比如创建一个Student类，那么，JVM就会创建一个Student对应Class类的Class对象，该Class对象保存了Student类相关的类型信息。


![](https://user-gold-cdn.xitu.io/2019/12/21/16f286b0e2fce054?w=1066&h=538&f=png&s=60629)

**Class类的对象作用**是运行时提供或获得某个对象的类型信息

## 反射的基本使用

### 获取 Class 类对象

获取反射中的Class对象有三种方法。

**第一种，使用 Class.forName 静态方法。**
​```java
Class class1 = Class.forName("reflection.TestReflection");

第二种，使用类的.class 方法

Class class2 = TestReflection.class;

第三种，使用实例对象的 getClass() 方法。

TestReflection testReflection = new TestReflection();
Class class3 = testReflection.getClass();

反射创造对象，获取方法，成员变量，构造器

本小节学习反射的基本API用法，如获取方法，成员变量等。

反射创造对象

通过反射创建类对象主要有两种方式：

实例代码:

//方式一
Class class1 = Class.forName("reflection.Student");
Student student = (Student) class1.newInstance();
System.out.println(student);

//方式二
Constructor constructor = class1.getConstructor();
Student student1 = (Student) constructor.newInstance();
System.out.println(student1);

运行结果：

反射获取类的构造器

看一个例子吧：

Class class1 = Class.forName("reflection.Student");
Constructor[] constructors = class1.getDeclaredConstructors();
for (int i = 0; i < constructors.length; i++) {
    System.out.println(constructors[i]);
 }

反射获取类的成员变量

看demo：

// student 一个私有属性age，一个公有属性email
public class Student {

    private Integer age;

    public String email;
}

public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException {
        Class class1 = Class.forName("reflection.Student");
        Field email = class1.getField("email");
        System.out.println(email);
        Field age = class1.getField("age");
        System.out.println(age);
    }
}

运行结果：

即javagetField(String name)根据参数变量名，返回一个具体的具有public属性的成员变量，如果该变量不是public属性，则报异常。

反射获取类的方法

demo

public class Student {

    private void testPrivateMethod() {
        
    }
    public void testPublicMethod() {
        
    }
}

public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException {
        Class class1 = Class.forName("reflection.Student");

        Method[] methods = class1.getMethods();
        for (int i = 0; i < methods.length; i++) {
            System.out.println(methods[i]);
        }
    }
}

运行结果：

反射的实现原理

通过上一小节学习，我们已经知道反射的基本API用法了。接下来，跟着一个例子，学习反射方法的执行链路。

public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class clazz = Class.forName("reflection.TestReflection");
        Method method = clazz.getMethod("target", String.class);
        method.invoke(null, "666");
    }

    public static void target(String str) {
        //打印堆栈信息
        new Exception("#" +str).printStackTrace();
        System.out.println("invoke target method");
    }
}

堆栈信息反映出反射调用链路：

java.lang.Exception: #666
invoke target method
	at reflection.TestReflection.target(TestReflection.java:17)
	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 reflection.TestReflection.main(TestReflection.java:11)
​```

**invoke方法执行时序图**

![](https://user-gold-cdn.xitu.io/2019/12/21/16f27996f9e5ed0f?w=1794&h=1030&f=png&s=154261)

**我们跟着反射链路去看一下源码，先看Method的invoke方法：**

public Object invoke(Object obj, Object... args)
    throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
       InvocationTargetException
{
    //校验权限
    if (!override) {
        if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
            Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
            checkAccess(caller, clazz, obj, modifiers);
        }
    }
    MethodAccessor ma = methodAccessor;             // read volatile
    if (ma == null) {
        ma = acquireMethodAccessor(); //获取MethodAccessor
    }
    //返回MethodAccessor.invoke
    return ma.invoke(obj, args);
}

由上可知道，Method 的 invoke 方法，其实是返回接口MethodAccessor的invoke方法。MethodAccessor接口有三个实现类，到底调用的是哪个类的 invoke 方法呢？

进入acquireMethodAccessor方法，可以看到MethodAccessor由ReflectionFactory 的 newMethodAccessor方法决定。

再进ReflectionFactory的newMethodAccessor方法，我们可以看到返回的是DelegatingMethodAccessorImpl对象，也就是说调用的是它的invoke方法。

再看DelegatingMethodAccessorImpl的invoke方法

DelegatingMethodAccessorImpl的invoke方法返回的是MethodAccessorImpl的invoke方法，而MethodAccessorImpl的invoke方法，由它的子类NativeMethodAccessorImpl重写，这时候返回的是本地方法invoke0，如下

因此，Method的invoke方法，是由本地方法invoke0决定的，再底层就是c++相关了，有兴趣的朋友可以继续往下研究。

反射的一些应用以及问题

反射应用

反射是Java框架的灵魂技术，很多框架都使用了反射技术，如spring，Mybatis，Hibernate等。

JDBC 的数据库的连接

在JDBC连接数据库中，一般包括加载驱动，获得数据库连接等步骤。而加载驱动，就是引入相关Jar包后，通过Class.forName() 即反射技术，加载数据库的驱动程序。

Spring 框架的使用

Spring 通过 XML 配置模式装载 Bean，也是反射的一个典型例子。

装载过程：

• 将程序内XML 配置文件加载入内存中
• Java类解析xml里面的内容，得到相关字节码信息
• 使用反射机制，得到Class实例
• 动态配置实例的属性，使用

这样做当然是有好处的：

不用每次都去new实例了，并且可以修改配置文件，比较灵活。

反射存在的问题

性能问题

java反射的性能并不好，原因主要是编译器没法对反射相关的代码做优化。
有兴趣的朋友，可以看一下这个文章java-reflection-why-is-it-so-slow

安全问题

我们知道单例模式的设计过程中，会强调将构造器设计为私有，因为这样可以防止从外部构造对象。但是反射可以获取类中的域、方法、构造器，修改访问权限。所以这样并不一定是安全的。

看个例子吧，通过反射使用私有构造器实例化。

public class Student {
    private String name;
    private Student(String name) {
        System.out.println("我是私有构造器，我被实例化了");
        this.name = name;
    }
    public void doHomework(String subject) {
        System.out.println("我的名字是" + name);
        System.out.println("我在做"+subject+"作业");
    }
}
public class TestReflection {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class clazz = Class.forName("reflection.Student");
        // 获取私有构造方法对象
        Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor(String.class);
        // true指示反射的对象在使用时应该取消Java语言访问检查。
        constructor.setAccessible(true);
        Student student = (Student) constructor.newInstance("jay@huaxiao");
        student.doHomework("数学");
    }
}

运行结果：

显然，反射不管你是不是私有，一样可以调用。
所以，使用反射通常需要程序的运行没有安全限制。如果一个程序对安全性有强制要求，最好不要使用反射啦。