Java | 反射

更新: 1/21/2025 字数: 0 字时长: 0 分钟

反射机制

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（比如成员变量，构造器，成员方法等等），并能操作对象的属性及方法。反射在设计模式和框架底层都会用到。
加载完类之后，在堆中就产生了一个 Class 类型的对象（一个类只有一个 Class 对象），这个对象包含了类的完整结构信息。通过这个对象得到类的结构。这个 Class 对象就像一面镜子，透过这个镜子看到类的结构。

反射机制原理图
反射机制可以完成
1. 在运行时判断任意一个对象所属的类
2. 在运行时构造任意一个类的对象
3. 在运行时得到任意一个类所具有的成员变量和方法
4. 在运行时调用任意一个对象的成员变量和方法
5. 生成动态代理
反射相关的主要类
1. java.lang.Class：代表一个类，Class 对象表示某个类加载后在堆中的对象
2. java.lang.reflect.Method：代表类的方法，Method 对象表示某个类的方法
3. java.lang.reflect.Field：代表类的成员变量，Field 对象表示某个类的成员变量
4. java.lang.reflect.Constructor：代表类的构造方法，Constructor 对象表示构造器
反射优点和缺点
1. 优点：可以动态的创建和使用对象（也是框架底层核心），使用灵活，没有反射机制，框架技术就失去底层支撑。
2. 缺点：使用反射基本是解释执行，对执行速度有影响。
反射调用优化（关闭访问检查）
1. Method、Field 和 Constructor 对象都有 setAccessible() 方法。
2. setAccessible() 方法是启用和禁用访问安全检查的开关。
3. 参数值为 true 表示反射的对象在使用时取消访问检查，提高反射的效率，使其可以访问 private 修饰的构造器、方法和属性。
4. 参数值为 false 则表示反射的对象执行访问检查。

Class 类

Class 也是类，因此也继承 Object 类。
Class 类的对象不是 new 出来的，而是系统创建的。
对于某个类的 Class 对象，在内存中只有一份，因为类只加载一次。
每个类的实例都会记得自己是由哪个 Class 对象所生成。
通过 Class 对象可以完整地得到一个类的结构。
Class 对象是存放在堆的。
类的字节码二进制数据，是放在方法区的，有的地方称为类的元数据（包括方法代码、变量名、方法名、访问权限等等）。

获取 Class 对象

已知一个类的全类名，可通过 Class 类的静态方法 forName("全类名") 获取，可能抛出 ClassNotFoundException。
应用场景：多用于从配置文件中读取类的全路径，动态加载类。
若已知具体的类，可通过 类名.class 获取，该方式最为安全可靠，程序性能最高。
应用场景：多用于参数传递，比如通过反射得到对应构造器对象。
已知某个类的实例，调用该实例的 getClass() 方法获取 Class 对象。
应用场景：通过创建好的对象，获取 Class 对象。
通过类加载器来获取到类的 Class 对象。
基本数据类型通过 类型名称.class 得到 Class 对象（基本数据类型会被自动装箱为包装类）。
基本数据类型对应的包装类，可以通过 包装类名称.TYPE 得到 Class 对象。

点击查看案例演示

Person.javaGetClassDemo.java输出

java

package com.example;

public class Person {
    private String name;
    private int age;

    public Person() {}

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    // Getter and Setter methods
    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;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{name='" + name + "', age=" + age + "}";
    }
}

java

import com.example.Person;

public class GetClassDemo {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {

        // 1. 使用 Class.forName() 获取 Class 对象
        // 通常从配置文件中读取类的全限定名并加载类
        String classAllPath = "com.example.Person"; // 类的全限定名
        Class<?> cls1 = Class.forName(classAllPath);
        System.out.println("Class.forName() -> " + cls1);

        // 2. 使用 类名.class 获取 Class 对象
        // 常用于传递参数，例如获取构造器对象时传递类名
        Class<?> cls2 = Person.class;
        System.out.println("类名.class -> " + cls2);

        // 3. 使用 对象.getClass() 获取 Class 对象
        // 当已有实例对象时，通过该方法获取 Class 对象
        Person person = new Person();
        Class<?> cls3 = person.getClass();
        System.out.println("对象.getClass() -> " + cls3);

        // 4. 通过类加载器获取 Class 对象
        // 先获取类加载器，然后加载类
        ClassLoader classLoader = person.getClass().getClassLoader();
        Class<?> cls4 = classLoader.loadClass(classAllPath);
        System.out.println("类加载器 -> " + cls4);

        // 验证 cls1, cls2, cls3, cls4 是同一个 Class 对象
        System.out.println("cls1 hashCode: " + cls1.hashCode());
        System.out.println("cls2 hashCode: " + cls2.hashCode());
        System.out.println("cls3 hashCode: " + cls3.hashCode());
        System.out.println("cls4 hashCode: " + cls4.hashCode());

        // 5. 获取基本数据类型的 Class 对象
        Class<?> intClass = int.class;
        Class<?> charClass = char.class;
        System.out.println("int.class -> " + intClass);
        System.out.println("char.class -> " + charClass);

        // 6. 获取基本数据类型的包装类的 Class 对象
        Class<?> integerType = Integer.TYPE;
        Class<?> characterType = Character.TYPE;
        System.out.println("Integer.TYPE -> " + integerType);
        System.out.println("Character.TYPE -> " + characterType);

        // 验证基本数据类型的 Class 对象与其包装类的 TYPE 是同一个对象
        System.out.println("int.class hashCode: " + intClass.hashCode());
        System.out.println("Integer.TYPE hashCode: " + integerType.hashCode());
    }
}

text

Class.forName() -> class com.example.Person
类名.class -> class com.example.Person
对象.getClass() -> class com.example.Person
类加载器 -> class com.example.Person
cls1 hashCode: 1324119927
cls2 hashCode: 1324119927
cls3 hashCode: 1324119927
cls4 hashCode: 1324119927
int.class -> int
char.class -> char
Integer.TYPE -> int
Character.TYPE -> char
int.class hashCode: 460141958
Integer.TYPE hashCode: 460141958

进程已结束，退出代码为 0

具有 Class 对象的类型

外部类
内部类：成员内部类、静态内部类、局部内部类、匿名内部类
接口：interface
数组
枚举：enum
注解：annotation
基本数据类型（包括 void）

点击查看案例演示

AllTypeClassDemo.java输出

java

import java.io.Serializable;

public class AllTypeClassDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 外部类
        Class<String> cls1 = String.class;
        // 接口
        Class<Serializable> cls2 = Serializable.class;
        // 一维数组
        Class<Integer[]> cls3 = Integer[].class;
        // 二维数组
        Class<float[][]> cls4 = float[][].class;
        // 注解
        Class<Deprecated> cls5 = Deprecated.class;
        // 枚举
        Class<Thread.State> cls6 = Thread.State.class;
        // 基本数据类型
        Class<Long> cls7 = long.class;
        // void 数据类型
        Class<Void> cls8 = void.class;
        // Class 本身
        Class<?> cls9 = Class.class;

        // 输出各类型的 Class 对象
        System.out.println("外部类 -> " + cls1);
        System.out.println("接口 -> " + cls2);
        System.out.println("一维数组 -> " + cls3);
        System.out.println("二维数组 -> " + cls4);
        System.out.println("注解 -> " + cls5);
        System.out.println("枚举 -> " + cls6);
        System.out.println("基本数据类型 -> " + cls7);
        System.out.println("void 数据类型 -> " + cls8);
        System.out.println("Class 本身 -> " + cls9);
    }
}

text

外部类 -> class java.lang.String
接口 -> interface java.io.Serializable
一维数组 -> class [Ljava.lang.Integer;
二维数组 -> class [[F
注解 -> interface java.lang.Deprecated
枚举 -> class java.lang.Thread$State
基本数据类型 -> long
void 数据类型 -> void
Class 本身 -> class java.lang.Class

进程已结束，退出代码为 0

类加载

类加载是指在运行时将类的字节码加载到 JVM 中的过程。
Java 的反射机制是实现动态语言特性的重要手段，通过反射可以实现类的动态加载。

加载方式

静态加载

在编译时就将相关类加载到内存中，如果类不存在，会直接报错。这种方式依赖性较强，通常出现在以下场景：

使用 new 关键字创建对象时。
当子类被加载时，父类也会被加载。
调用类中的静态成员（如静态变量、静态方法）时。

动态加载

在运行时才加载所需的类。这种方式可以在运行时灵活地加载类，如果没有使用某个类，即使类不存在，也不会导致错误，从而降低了依赖性。常见的使用场景是：

通过反射机制创建对象。

动态加载的优势在于其灵活性，能够在程序运行过程中根据需要加载和使用类，从而提升了程序的扩展性和维护性。

加载过程

类加载过程图
加载后方法区存储的是类的字节码二进制文件，而堆区就创建了相应的类的 Class 对象。
类加载各阶段完成任务
注意：这里是针对类的加载阶段，并不是 new 的阶段，因此是针对静态成员。

加载阶段

JVM 在该阶段的主要目的是将字节码从不同的数据源（如 .class 文件、.jar 包、网络）转化为二进制字节流加载到内存中，并生成一个代表该类的 Class 对象。

连接阶段

验证（verification）
- 目的是为了确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。
- 包括：文件格式验证（是否以魔数 oxcafebabe 开头）、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。
- 可以考虑使用 -Xverify:none 参数来关闭大部分的类验证措施，缩短虚拟机类加载的时间。

准备（Preparation）

JVM 会在该阶段对静态变量分配内存并进行默认初始化（对应数据类型的默认初始值有 0、0.0、null、false 等）。
这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

点击查看案例演示

java

public class ClassLoadDemo {
    public static void main(String[] args) {

    }
}

class A {
    public int n1 = 10;  // 实例变量，不会在准备阶段分配内存
    public static int n2 = 20;  // 静态变量，准备阶段分配内存并且默认初始化为 0，直到初始化阶段才会赋值为 20
    public static final int n3 = 30;  // 常量，和静态变量不一样，因为一旦赋值就不变，所以直接初始化为 30
}

解析（Resolution）
- 虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。
- 这个过程是由 JVM 机自动完成的。

初始化阶段

在初始化阶段，类中定义的 Java 程序代码才会真正开始执行，此时会执行 clinit() 方法。
clinit() 方法是由编译器根据源文件中语句的出现顺序，自动收集所有静态变量的赋值操作和静态代码块中的语句，并将它们合并在一起。
虚拟机会确保 clinit() 方法在多线程环境中被正确加锁和同步。如果多个线程同时尝试初始化一个类，只有一个线程会执行 clinit() 方法，其他线程则会阻塞等待，直到该方法执行完毕。
这一机制确保了每个类在内存中只有一个 Class 对象，从而保持类加载过程的安全性和一致性。

点击查看案例演示

ClassLoadDemo.java输出

java

public class ClassLoadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        /*
          类加载阶段：加载 B 类，并生成其 Class 对象。
          连接阶段：
            - 验证：检查 Class 文件格式是否正确。
            - 准备：为静态变量分配内存并初始化默认值 num = 0。
            - 解析：将符号引用转换为直接引用。
          初始化阶段：
            - 合并静态变量的赋值操作和静态代码块中的语句，生成 `clinit()` 方法。
            - 执行 `clinit()` 方法，进行如下操作：
              - System.out.println("B 静态代码块被执行"); // 静态代码块中的输出语句
              - num = 300; // 静态代码块中的赋值
              - num = 100; // 静态变量的显式赋值
            - 这就是为什么 num 最终值为 100 的原因
          注意：创建对象和访问类的静态变量都会触发类加载
         */

        B b = new B();
        System.out.println(B.num);  // 输出 100
    }
}

class B {
    static {
        System.out.println("B 静态代码块被执行");
        num = 300;  // 静态代码块中为 num 赋值
    }

    static int num = 100;  // 静态变量的显式赋值

    public B() {
        System.out.println("B() 构造器被执行");
    }
}

text

B 静态代码块被执行
B() 构造器被执行
100

进程已结束，退出代码为 0

反射用法

获取类的结构信息

类	方法	描述
java.lang.Class	`getName()`	获取全类名
	`getSimpleName()`	获取简单类名
	`getFields()`	获取所有 `public` 修饰的属性，包含本类以及父类
	`getDeclaredFields()`	获取本类中所有属性
	`getMethods()`	获取所有 `public` 修饰的方法，包含本类以及父类
	`getDeclaredMethods()`	获取本类中所有方法
	`getConstructors()`	获取本类所有 `public` 修饰的构造器
	`getDeclaredConstructors()`	获取本类中所有构造器
	`getPackage()`	以 `Package` 形式返回包信息
	`getSuperclass()`	以 `Class` 形式返回父类信息
	`getInterfaces()`	以 `Class[]` 形式返回接口信息
	`getAnnotations()`	以 `Annotation[]` 形式返回注解信息
java.lang.reflect.Field	`getModifiers()`	以 `int` 形式返回修饰符
	`getType()`	以 `Class` 形式返回类型（属性对应类的 Class 对象）
	`getName()`	返回属性名
java.lang.reflect.Method	`getModifiers()`	以 `int` 形式返回修饰符
	`getReturnType()`	以 `Class` 形式获取返回类型
	`getName()`	返回方法名
	`getParameterTypes()`	以 `Class[]` 返回参数类型数组
java.lang.reflect.Constructor	`getModifiers()`	以 `int` 形式返回修饰符
	`getName()`	返回构造器名（全类名）
	`getParameterTypes()`	以 `Class[]` 返回参数类型数组

通过反射创建对象

通过 Class 对象获取类的默认构造函数，并调用 newInstance() 方法创建对象。

java

Class<?> clazz = Class.forName("com.example.MyClass");
Object obj = clazz.getConstructor().newInstance();

通过 Class 对象获取指定参数类型的构造函数，并调用 newInstance() 方法创建对象。

java

Class<?> clazz = Class.forName("com.example.MyClass");
Object obj = clazz.getConstructor(String.class, int.class).newInstance("参数1", 123);

获取类的无参构造函数（包括 private），并使用 newInstance() 方法创建对象。

java

Class<?> clazz = Class.forName("com.example.MyClass");
Constructor<?> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true); // 如果构造函数是私有的，需要设置可访问
Object obj = constructor.newInstance();

通过 Class 对象直接调用 newInstance() 方法创建对象。注意：该方法已被废弃，推荐使用 getConstructor().newInstance()。
java
```
Class<?> clazz = Class.forName("com.example.MyClass");
Object obj = clazz.newInstance();
```
1
2
注意 getConstructor(Class...) 和 getDeclaredConstructor(Class...) 只能获取到当前类定义的构造方法。

访问类中的成员

访问属性
- 获取 Field 对象：通过 Class 对象的 getDeclaredField() 方法，传入属性名即可获取类中的字段对象。
- 暴力访问：要访问私有属性，需要调用 setAccessible(true)，以绕过 Java 的访问控制检查。
- 设置和获取属性：使用 Field 的 set 和 get 方法来操作属性值。对于静态属性，set 和 get 的对象参数可以为 null。
访问方法
- 获取 Method 对象：通过 Class 对象的 getDeclaredMethod() 方法，传入方法名和参数类型来获取类中的方法对象。
- 暴力访问：同样需要调用 setAccessible(true) 以绕过方法的访问权限限制。
- 调用方法：使用 Method 的 invoke 方法，传入对象实例和参数来调用指定的方法。对于静态方法，invoke 的对象参数可以为 null。

点击查看案例演示

Person.javaStudent.javaReflectionDemo.java输出

java

// 父类 Person，包含字段 name 和方法 getName、sayHello
public class Person {
    public String name;

    // 获取 name 的方法
    public String getName() {
        return name;
    }

    // 打印问候信息的方法
    public void sayHello(String name, int age) {
        System.out.printf("%s：你好，我的名字是%s，今年 %d 岁\n", getClass().getName(), name, age);
    }
}

java

// 子类 Student，继承自 Person，并增加 score、grade 和 ID 字段及相关方法
public class Student extends Person {
    public int score;
    private int grade;
    private static int ID;

    // 无参构造方法
    public Student() {
    }

    // 获取 score 的方法
    public int getScore() {
        return score;
    }

    // 获取 grade 的方法，private 修饰
    private int getGrade() {
        return grade;
    }

    // 获取 ID 的静态方法，private 修饰
    private static int getID() {
        return ID;
    }
}

java

import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Method;

public class ReflectionDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 获取 Student 类的 Class 对象
        Class<Student> studentClass = Student.class;

        // 通过无参构造方法实例化 Student 对象
        Student student = studentClass.getConstructor().newInstance();

        // 获取并设置父类中的 public 字段 name
        Field name = studentClass.getField("name");
        name.set(student, "小明");
        System.out.println(name + " -> " + name.get(student));

        // 获取并设置 Student 类中的 public 字段 score
        Field score = studentClass.getField("score");
        score.set(student, 78);
        System.out.println(score + " -> " + score.get(student));

        // 获取并设置 Student 类中的 private 字段 grade
        Field grade = studentClass.getDeclaredField("grade");
        grade.setAccessible(true); // 允许访问 private 字段
        grade.set(student, 3);
        System.out.println(grade + " -> " + grade.get(student));

        // 获取并设置 Student 类中的 private static 字段 ID
        Field id = studentClass.getDeclaredField("ID");
        id.setAccessible(true); // 允许访问 private 字段
        id.set(student, 250001);
        System.out.println(id + " -> " + id.get(null)); // 静态字段用 null 获取值

        System.out.println("--------------------");

        // 获取并调用 public 方法 getName
        Method getName = studentClass.getMethod("getName");
        System.out.println(getName + " return " + getName.invoke(student));

        // 获取并调用 public 方法 getScore
        Method getScore = studentClass.getMethod("getScore");
        System.out.println(getScore + " return " + getScore.invoke(student));

        // 获取并调用 private 方法 getGrade
        Method getGrade = studentClass.getDeclaredMethod("getGrade");
        getGrade.setAccessible(true); // 允许访问 private 方法
        System.out.println(getGrade + " return " + getGrade.invoke(student));

        // 获取并调用 private static 方法 getID
        Method getID = studentClass.getDeclaredMethod("getID");
        getID.setAccessible(true); // 允许访问 private 方法
        System.out.println(getID + " return " + getID.invoke(null)); // 静态方法用 null 调用

        System.out.println("--------------------");

        // 使用反射调用 sayHello 方法，展示继承关系中的方法调用
        Method sayHello = studentClass.getMethod("sayHello", String.class, int.class);
        sayHello.invoke(new Person(), "小明", 20); // 调用父类的方法
        sayHello.invoke(student, "小红", 18); // 调用子类的方法
    }
}

text

public java.lang.String Person.name -> 小明
public int Student.score -> 78
private int Student.grade -> 3
private static int Student.ID -> 250001
--------------------
public java.lang.String Person.getName() return 小明
public int Student.getScore() return 78
private int Student.getGrade() return 3
private static int Student.getID() return 250001
--------------------
Person：你好，我的名字是小明，今年 20 岁
Student：你好，我的名字是小红，今年 18 岁

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贡献者

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反射机制 ​

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加载方式 ​

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加载过程 ​

加载阶段 ​

连接阶段 ​

初始化阶段 ​

反射用法 ​

获取类的结构信息 ​

通过反射创建对象 ​

访问类中的成员 ​

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Class 类

获取 Class 对象

具有 Class 对象的类型

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动态加载

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加载阶段

连接阶段

初始化阶段

反射用法

获取类的结构信息

通过反射创建对象

访问类中的成员