反射

什么是反射？反射就是Reflection，Java的反射是指程序在运行期可以拿到一个对象的所有信息。反射是为了解决在运行期，对某个实例一无所知的情况下，如何调用其方法。正常情况下，如果我们要调用一个对象的方法，或者访问一个对象的字段，通常会传入对象实例。

Class类

除了int等基本类型外，Java的其他类型全部都是class（包括interface）。仔细思考我们可以得出结论：class的本质是数据类型（Type）。无继承关系的数据类型无法赋值：

Number n = new Double(123.456); // OK
String s = new Double(123.456); // compile error!

而class是由JVM在执行过程中动态加载的。JVM在第一次读取到一种class类型时，将其加载到内存。每加载一种class，JVM就为其创建一个Class类型的实例，并关联起来。注意，这里的Class类型是一个名叫Class的class。它长这样：

public final class Class{
    private Class(){};
}

以String类为例，当JVM加载String类时，它首先读取String.class类到内存，然后为String类创建一个Class实例并关联起来。

Class cls = new Class(String);

这个Class实例是JVM内部创建的，如果我们查看JDK源码，可以发现Class类的构造方法是private，只有JVM能创建Class实例，我们自己的Java程序是无法创建Class实例的。

所以，JVM持有的每个Class实例都指向一个数据类型（class或interface）。一个Class实例包含了该class的所有信息。

┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> String
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.String"  │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> Random
├───────────────────────────┤
│name = "java.util.Random"  │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> Runnable
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.Runnable"│
└───────────────────────────┘

┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> String
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.String"  │
├───────────────────────────┤
│package = "java.lang"      │
├───────────────────────────┤
│super = "java.lang.Object" │
├───────────────────────────┤
│interface = CharSequence...│
├───────────────────────────┤
│field = value[],hash,...   │
├───────────────────────────┤
│method = indexOf()...      │
└───────────────────────────┘

由于JVM为每个加载的class创建了对应的Class实例，并在实例中保存了该class的所有信息，包括类名、包名、父类、实现的接口、所有方法、字段等，因此，如果获取了某个Class实例，我们就可以通过这个Class实例获取到对应的class的所有信息。

这种通过Class实例获取class信息的方法称为反射（Reflection）。

如何获取一个class的Class实例？有三个方法：

方法一：直接通过一个class的静态变量class获取

Class cls = String.class;

方法二：如果我们有一个实例变量，可以通过该实例变量提供的getClass()方法获取。

String s = "Hello";
Class cls = s.getClass();

方法三：如果知道一个class的完整类名，可以通过Class.forName()获取。

Class cls = Class.forName("java.lang.String");

因为Class实例在JVM中是唯一的，所以上述方法获取的Class实例是同一个实例。

注意一下Class实例比较和instanceof的差别。用instanceof不但匹配指定的类型，还匹配指定的子类。而用==判断class实例可以精确地判断数据类型，但不能作为子类型比较。

通常情况下，我们应该用instanceof判断数据类型，因为面向抽象编程的时候，我们不关心具体的子类型。只有在需要精确判断一个类型是不是某个class时，我们才使用==判断class实例。

因为反射的目的是为了获取某个实例的信息。因此，当我们拿到某个Object实例时，我们可以通过反射获取该Object的class信息。

注意到数组也是一种Class，例如String[]，而且不同于String.class，它的类名是[Ljava.lang.String。此外，JVM为每一种基本类型如int也创建了Class，通过int.class访问。

如果获取到一个Class实例，我们就可以通过该Class实例来创建对应类型的实例：

// 获取String的Class实例:
Class cls = String.class;
// 创建一个String实例:
String s = (String) cls.newInstance();

上述代码相当于new String()。通过Class.newInstance()可以创建类实例，它的局限是：只能调用public的无参数构造方法。带参数的构造方法，或者非public的构造方法都无法通过Class.newInstance()被调用。

动态加载

JVM在执行Java程序时，并不是一次性把所有用到的class全部加载到内存，而是第一次需要用到class时才加载。

// Main.java
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        if (args.length > 0) {
            create(args[0]);
        }
    }
    static void create(String name) {
        Person p = new Person(name);
    }
}

当执行Main.java时，由于用到了Main，因此，JVM首先会把Main.class加载到内存。然而，并不会加载Person.class，除非程序执行到create()方法，JVM发现需要加载Person类时，才会首次加载Person.class。如果没有执行create()方法，那么Person.class根本就不会被加载。

这就是JVM动态加载class的特性。

动态加载class的特性对于Java程序非常重要。利用JVM动态加载class的特性，我们才能在运行期根据条件加载不同的实现类。例如，Commons Logging总是优先使用Log4j，只有当Log4j不存在时，才使用JDK的logging。利用JVM的动态加载特性，大致的实现代码如下：

// Commons Logging优先使用Log4j:
LogFactory factory = null;
if (isClassPresent("org.apache.logging.log4j.Logger")) {
    factory = createLog4j();
} else {
    factory = createJdkLog();
}

boolean isClassPresent(String name) {
    try {
        Class.forName(name);
        return true;
    } catch (Exception e) {
        return false;
    }
}

这就是为什么我们只需要把Log4j的jar包放到classpath中，Commons Logging就会自动使用Log4j的原因。

访问字段

我们先看看如何通过Class实例获取字段信息。Class类提供了以下几个方法来获取字段：

• Field getField(name)：根据字段名获取某个public的field（包括父类）
• Field getDeclaredField(name)：根据字段名获取当前类的某个field（不包括父类）
• Field[] getFields()：获取所有public的field（包括父类）
• Field[] getDeclaredFields()：获取当前类的所有field（不包括父类）

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class stdClass = Student.class;
        // 获取public字段"score":
        System.out.println(stdClass.getField("score"));
        // 获取继承的public字段"name":
        System.out.println(stdClass.getField("name"));
        // 获取private字段"grade":
        System.out.println(stdClass.getDeclaredField("grade"));
    }
}
class Student extends Person {
    public int score;
    private int grade;
}
class Person {
    public String name;
}

上述代码首先获取获取Student的Class实例，然后分别获取public字段、继承的public字段以及private字段，打印出的Field类似：

public int Student.score
public java.lang.String Person.name
private int Student.grade

一个Field对象包含了一个字段的所有信息。

• getName()，返回字段名称，例如，“name”
• getType()，返回字段类型，也是一个Class实例，例如，String.class
• getModifiers()，返回字段的修饰符，它是一个int，不同的bit代表不同的含义

以String类的value字段为例，我们用反射获取该字段的信息，代码如下：

public final class String {
    private final byte[] value;
}

Field f = String.class.getDeclaredField("value");
f.getName(); // "value"
f.getType(); // class [B 表示byte[]类型
int m = f.getModifiers();
Modifier.isFinal(m); // true
Modifier.isPublic(m); // false
Modifier.isProtected(m); // false
Modifier.isPrivate(m); // true
Modifier.isStatic(m); // false

获取字段值

利用反射拿到字段的一个Field实例，我们还可以拿到一个实例对应的该字段的值。

例如，对于一个Person实例，我们可以先拿到name字段对应的Field，再获取这个实例的name字段的值。

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Object p = new Person("Xiao Ming");
        Class c = p.getClass();
        Field f = c.getDeclaredField("name");
        Object value = f.get(p);
        System.out.println(value); // "Xiao Ming"
    }
}
class Person {
    private String name;
    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }
}

上述代码先获取Class实例，再获取Field实例，然后用Field.get(Object)获取指定实例的指定字段值。运行代码，如果不出意外，会得到一个IllegalAccessException，这是因为name被定义为一个private字段，正常情况下，Main类无法访问Person类的private字段。要修复错误，可以将private改为public，或者，在调用Object value = f.get(p);前，先写一句：f.setAccessible(true);。调用Field.setAccessible(true)的意思是，别管这个字段是不是public，一律允许访问。

有同学会问：如果使用反射可以获取private字段的值，那么类的封装还有什么意义？

答案是正常情况下，我们总是通过p.name来访问Person的name字段，编译器会根据public、protected和private决定是否允许访问字段，这样就达到了数据封装的目的。

而反射是一种非常规的用法，使用反射，首先代码非常繁琐，其次，它更多地是给工具或底层框架来使用，目的是在不知道目标实例任何信息的情况下，获取特定字段的值。此外，setAccessible(true)可能会失败。如果JVM运行期存在SecurityManager，那么它会根据规则进行检查，有可能阻止setAccessible(true)。例如，某个SecurityManager可能不允许对java和javax开头的package的类调用setAccessible(true)，这样可以保证JVM核心库的安全。

设置字段值

通过Field实例既然可以获取到指定实例的字段值，自然也可以设置字段的值。设置字段值是通过Field.set(Object, Object)实现的，第一个Object参数是指定的实例，第二个Object参数是待修改的值。

同样的，修改非public字段，需要首先调用setAccessible(true)。

调用方法

我们已经通过Class实例获取所有Field对象，同样的，可以通过Class实例获取所有的Method信息。Class类提供了以下几个方法来获取Method：

• Method getMethod(name, Class…)：获取某个public的Method（包括父类）
• Method getDeclaredMethod(name, Class…)：获取当前类的某个Method（不包括父类）
• Method[] getMethods()：获取所有public的Method（包括父类）
• Method[] getDeclaredMethods()：获取当前类的所有Method（不包括父类）

我们来看一下实例代码：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class stdClass = Student.class;
        // 获取public方法getScore，参数为String:
        System.out.println(stdClass.getMethod("getScore", String.class));
        // 获取继承的public方法getName，无参数:
        System.out.println(stdClass.getMethod("getName"));
        // 获取private方法getGrade，参数为int:
        System.out.println(stdClass.getDeclaredMethod("getGrade", int.class));
    }
}
class Student extends Person {
    public int getScore(String type) {
        return 99;
    }
    private int getGrade(int year) {
        return 1;
    }
}
class Person {
    public String getName() {
        return "Person";
    }
}

上述代码首先获取Student的Class实例，然后分别获取public方法、继承的public方法以及private方法，打印出来的Method类似：

public int Student.getScore(java.lang.String)
public java.lang.String Person.getName()
private int Student.getGrade(int)

一个Method对象包含一个方法的所有信息：

• getName()：返回方法名称，例如：”getScore”；
• getReturnType()：返回方法返回值类型，也是一个Class实例，例如：String.class；
• getParameterTypes()：返回方法的参数类型，是一个Class数组，例如：{String.class, int.class}；
• getModifiers()：返回方法的修饰符，它是一个int，不同的bit表示不同的含义。

调用方法

当我们获取到一个Method对象时，就可以对它进行调用。以下面的代码为例：

String s = "Hello world";
String r = s.substring(6); // "world"

如果用反射来调用substring方法，需要以下代码：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // String对象:
        String s = "Hello world";
        // 获取String substring(int)方法，参数为int:
        Method m = String.class.getMethod("substring", int.class);
        // 在s对象上调用该方法并获取结果:
        String r = (String) m.invoke(s, 6);
        // 打印调用结果:
        System.out.println(r);
    }
}

对Method实例调用invoke就相当于调用该方法，invoke的第一个参数是对象实例，即在哪个实例上调用该方法，后面的可变参数要与方法参数一致，否则将报错。

调用静态方法

如果获取到的Method表示一个静态方法，调用静态方法时，由于无需指定实例对象，所以invoke方法传入的第一个参数永远为null。我们以Integer.parseInt(String)为例：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 获取Integer.parseInt(String)方法，参数为String:
        Method m = Integer.class.getMethod("parseInt", String.class);
        // 调用该静态方法并获取结果:
        Integer n = (Integer) m.invoke(null, "12345");
        // 打印调用结果:
        System.out.println(n);
    }
}

调用非public方法

和Field类似，对于非public方法，我们虽然可以通过Class.getDeclaredMethod()获取该方法实例，但直接对其调用将得到一个IllegalAccessException。为了调用非public方法，我们通过Method.setAccessible(true)允许其调用：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Person p = new Person();
        Method m = p.getClass().getDeclaredMethod("setName", String.class);
        m.setAccessible(true);
        m.invoke(p, "Bob");
        System.out.println(p.name);
    }
}
class Person {
    String name;
    private void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

此外，setAccessible(true)可能会失败。如果JVM运行期存在SecurityManager，那么它会根据规则进行检查，有可能阻止setAccessible(true)。例如，某个SecurityManager可能不允许对java和javax开头的package的类调用setAccessible(true)，这样可以保证JVM核心库的安全。

多态

我们来考察这样一种情况：一个Person类定义了hello()方法，并且它的子类Student也覆写了hello()方法，那么从Person.class获取的Method，作用于Student实例时，调用方法到底是哪个？测试一下发现，使用反射调用方法时，仍然遵循多态原则：即总是调用实际类型的覆写方法。

调用构造方法

我们通常使用new操作符创建新的实例。如果通过反射来创建新的实例，可以调用Class提供的newInstance()方法。

Person p = Person.class.newInstance();

调用Class.newInstance()的局限是，它只能调用该类的public无参数构造方法。如果构造方法带有参数，或者不是public，就无法直接通过Class.newInstance()来调用。

为了调用任意的构造方法，Java的反射API提供了Constructor对象，它包含一个构造方法的所有信息，可以创建一个实例。Constructor对象和Method对象非常像，不同之处仅在于它是一个构造方法，并且调用结果总是返回实例。

通过Class实例获取Constructor的方法如下：

• getConstructor(Class…)：获取某个public的Constructor；
• getDeclaredConstructor(Class…)：获取某个Constructor；
• getConstructors()：获取所有public的Constructor；
• getDeclaredConstructors()：获取所有Constructor。

注意，Constructor总是当前类定义的构造方法，和父类无关，因此不存在多态的问题。

调用非public的Constructor时，必须首先通过setAccessible(true)设置允许访问。setAccessible(true)可能会失败。

获取继承关系

获取父类的class。

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class i = Integer.class;
        Class n = i.getSuperclass();
        System.out.println(n);
        Class o = n.getSuperclass();
        System.out.println(o);
        System.out.println(o.getSuperclass());
    }
}

运行上述代码，可以看到，Integer的父类类型是Number，Number的父类是Object，Object的父类是null。除Object外，其他任何非interface的Class都必定存在一个父类类型。

获取interface

由于一个类可能实现一个或多个接口，通过Class我们就可以查询到实现的接口类型。例如，查询Integer实现的接口：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class s = Integer.class;
        Class[] is = s.getInterfaces();
        for (Class i : is) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

注意，getInterfaces()只返回当前类直接实现的接口类型，并不包括其父类实现的接口类型。

此外，对所有interface的Class调用getSuperclass()返回的是null，获取接口的父接口要用getInterfaces()。如果一个类没有实现任何interface，那么getInterfaces()返回空数组。

继承关系

当我们判断一个实例是否是某个类型时，正常情况下使用instanceof操作符。如果是两个Class实例，要判断一个向上转型是否成立，可以调用isAssignableFrom()。

// Integer i = ?
Integer.class.isAssignableFrom(Integer.class); // true，因为Integer可以赋值给Integer
// Number n = ?
Number.class.isAssignableFrom(Integer.class); // true，因为Integer可以赋值给Number
// Object o = ?
Object.class.isAssignableFrom(Integer.class); // true，因为Integer可以赋值给Object
// Integer i = ?
Integer.class.isAssignableFrom(Number.class); // false，因为Number不能赋值给Integer

动态代理

我们先定义了接口Hello，但是我们并不去编写实现类，而是直接通过JDK提供的一个Proxy.newProxyInstance()创建了一个Hello接口对象。这种没有实现类但是在运行期动态创建了一个接口对象的方式，我们称为动态代码。JDK提供的动态创建接口对象的方式，就叫动态代理。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        InvocationHandler handler = new InvocationHandler() {
            @Override
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
                System.out.println(method);
                if (method.getName().equals("morning")) {
                    System.out.println("Good morning, " + args[0]);
                }
                return null;
            }
        };
        Hello hello = (Hello) Proxy.newProxyInstance(
            Hello.class.getClassLoader(), // 传入ClassLoader
            new Class[] { Hello.class }, // 传入要实现的接口
            handler); // 传入处理调用方法的InvocationHandler
        hello.morning("Bob");
    }
}

interface Hello {
    void morning(String name);
}

在运行期动态创建一个interface实例的方法如下：

1. 定义一个InvocationHandler实例，它负责实现接口的方法调用；
2. 通过Proxy.newProxyInstance()创建interface实例，它需要3个参数：
   1. 使用的ClassLoader，通常就是接口类的ClassLoader；
   2. 需要实现的接口数组，至少需要传入一个接口进去；
   3. 用来处理接口方法调用的InvocationHandler实例。
3. 将返回的Object强制转型为接口。

动态代理实际上是JVM在运行期动态创建class字节码并加载的过程。

这一节看的有点模棱两可，后面这篇文章讲的比较清楚，但也就不再总结这篇文章的大意了，需要的时候再拿过来翻翻看https://www.jianshu.com/p/95970b089360。