侯捷观点

Java反射机制



摘要

Reflection 是Java被视为动态（或准动态）语言的一个关键性质。这个机制允许程序在运行时透过Reflection APIs取得任何一个已知名称的class的内部信息，包括其modifiers（诸如public, static 等等）、superclass（例如Object）、实现之interfaces（例如Cloneable），也包括fields和methods的所有信息，并可于运行时改变fields内容或唤起methods。本文借由实例，大面积示范Reflection APIs。



关于本文：

读者基础：具备Java 语言基础。

本文适用工具：JDK1.5



关键词：

Introspection（内省、内观）

Reflection（反射）





有时候我们说某个语言具有很强的动态性，有时候我们会区分动态和静态的不同技术与作法。我们朗朗上口动态绑定（dynamic binding）、动态链接（dynamic linking）、动态加载（dynamic loading）等。然而“动态”一词其实没有绝对而普遍适用的严格定义，有时候甚至像对象导向当初被导入编程领域一样，一人一把号，各吹各的调。



一般而言，开发者社群说到动态语言，大致认同的一个定义是：“程序运行时，允许改变程序结构或变量类型，这种语言称为动态语言”。从这个观点看，Perl，Python，Ruby是动态语言，C++，Java，C#不是动态语言。



尽管在这样的定义与分类下Java不是动态语言，它却有着一个非常突出的动态相关机制：Reflection。这个字的意思是“反射、映象、倒影”，用在Java身上指的是我们可以于运行时加载、探知、使用编译期间完全未知的classes。换句话说，Java程序可以加载一个运行时才得知名称的class，获悉其完整构造（但不包括methods定义），并生成其对象实体、或对其fields设值、或唤起其methods1。这种“看透class”的能力（the ability of the program to examine itself）被称为introspection（内省、内观、反省）。Reflection和introspection是常被并提的两个术语。



Java如何能够做出上述的动态特性呢？这是一个深远话题，本文对此只简单介绍一些概念。整个篇幅最主要还是介绍Reflection APIs，也就是让读者知道如何探索class的结构、如何对某个“运行时才获知名称的class”生成一份实体、为其fields设值、调用其methods。本文将谈到java.lang.Class，以及java.lang.reflect中的Method、Field、Constructor等等classes。



“Class”class

众所周知Java有个Object class，是所有Java classes的继承根源，其内声明了数个应该在所有Java class中被改写的methods：hashCode()、equals()、clone()、toString()、getClass()等。其中getClass()返回一个Class object。



Class class十分特殊。它和一般classes一样继承自Object，其实体用以表达Java程序运行时的classes和interfaces，也用来表达enum、array、primitive Java types（boolean, byte, char, short, int, long, float, double）以及关键词void。当一个class被加载，或当加载器（class loader）的defineClass()被JVM调用，JVM 便自动产生一个Class object。如果您想借由“修改Java标准库源码”来观察Class object的实际生成时机（例如在Class的constructor内添加一个println()），不能够！因为Class并没有public constructor（见图1）。本文最后我会拨一小块篇幅顺带谈谈Java标准库源码的改动办法。



Class是Reflection故事起源。针对任何您想探勘的class，唯有先为它产生一个Class object，接下来才能经由后者唤起为数十多个的Reflection APIs。这些APIs将在稍后的探险活动中一一亮相。



#001 public final

#002 class Class<T> implements java.io.Serializable,

#003 java.lang.reflect.GenericDeclaration,

#004 java.lang.reflect.Type,

#005 java.lang.reflect.AnnotatedElement {

#006 private Class() {}

#007 public String toString() {

#008 return ( isInterface() ? "interface " :

#009 (isPrimitive() ? "" : "class "))

#010 + getName();

#011 }

...

图1：Class class片段。注意它的private empty ctor，意指不允许任何人经由编程方式产生Class object。是的，其object 只能由JVM 产生。



“Class” object的取得途径

Java允许我们从多种管道为一个class生成对应的Class object。图2是一份整理。

Class object 诞生管道
示例

运用getClass()

注：每个class 都有此函数
String str = "abc";

Class c1 = str.getClass();

运用

Class.getSuperclass()2
Button b = new Button();

Class c1 = b.getClass();

Class c2 = c1.getSuperclass();

运用static method

Class.forName()

（最常被使用）
Class c1 = Class.forName ("java.lang.String");

Class c2 = Class.forName ("java.awt.Button");

Class c3 = Class.forName ("java.util.LinkedList$Entry");

Class c4 = Class.forName ("I");

Class c5 = Class.forName ("[I");

运用

.class 语法
Class c1 = String.class;

Class c2 = java.awt.Button.class;

Class c3 = Main.InnerClass.class;

Class c4 = int.class;

Class c5 = int[].class;

运用

primitive wrapper classes

的TYPE 语法


Class c1 = Boolean.TYPE;

Class c2 = Byte.TYPE;

Class c3 = Character.TYPE;

Class c4 = Short.TYPE;

Class c5 = Integer.TYPE;

Class c6 = Long.TYPE;

Class c7 = Float.TYPE;

Class c8 = Double.TYPE;

Class c9 = Void.TYPE;



图2：Java 允许多种管道生成Class object。



Java classes 组成分析

首先容我以图3的java.util.LinkedList为例，将Java class的定义大卸八块，每一块分别对应图4所示的Reflection API。图5则是“获得class各区块信息”的程序示例及执行结果，它们都取自本文示例程序的对应片段。



package java.util; //(1)

import java.lang.*; //(2)

public class LinkedList<E> //(3)(4)(5)

extends AbstractSequentialList<E> //(6)

implements List<E>, Queue<E>,

Cloneable, java.io.Serializable //(7)

{

private static class Entry<E> { … }//(8)

public LinkedList() { … } //(9)

public LinkedList(Collection<? extends E> c) { … }

public E getFirst() { … } //(10)

public E getLast() { … }

private transient Entry<E> header = …; //(11)

private transient int size = 0;

}

图3：将一个Java class 大卸八块，每块相应于一个或一组Reflection APIs（图4）。



Java classes 各成份所对应的Reflection APIs

图3的各个Java class成份，分别对应于图4的Reflection API，其中出现的Package、Method、Constructor、Field等等classes，都定义于java.lang.reflect。

Java class 内部模块（参见图3）
Java class 内部模块说明
相应之Reflection API，多半为Class methods。
返回值类型(return type)

(1) package
class隶属哪个package
getPackage()
Package

(2) import
class导入哪些classes
无直接对应之API。

解决办法见图5-2。


(3) modifier
class（或methods, fields）的属性


int getModifiers()

Modifier.toString(int)

Modifier.isInterface(int)
int

String

bool

(4) class name or interface name
class/interface
名称getName()
String

(5) type parameters
参数化类型的名称
getTypeParameters()
TypeVariable <Class>[]

(6) base class
base class（只可能一个）
getSuperClass()
Class

(7) implemented interfaces
实现有哪些interfaces
getInterfaces()
Class[]



(8) inner classes
内部classes
getDeclaredClasses()
Class[]

(8') outer class
如果我们观察的class 本身是inner classes，那么相对它就会有个outer class。
getDeclaringClass()
Class

(9) constructors
构造函数getDeclaredConstructors()
不论 public 或private 或其它access level，皆可获得。另有功能近似之取得函数。
Constructor[]

(10) methods
操作函数getDeclaredMethods()
不论 public 或private 或其它access level，皆可获得。另有功能近似之取得函数。
Method[]

(11) fields
字段（成员变量）
getDeclaredFields()不论 public 或private 或其它access level，皆可获得。另有功能近似之取得函数。
Field[]



图4：Java class大卸八块后（如图3），每一块所对应的Reflection API。本表并非

Reflection APIs 的全部。



Java Reflection API 运用示例

图5示范图4提过的每一个Reflection API，及其执行结果。程序中出现的tName()是个辅助函数，可将其第一自变量所代表的“Java class完整路径字符串”剥除路径部分，留下class名称，储存到第二自变量所代表的一个hashtable去并返回（如果第二自变量为null，就不储存而只是返回）。



#001 Class c = null;

#002 c = Class.forName(args[0]);

#003

#004 Package p;

#005 p = c.getPackage();

#006

#007 if (p != null)

#008 System.out.println("package "+p.getName()+";");



执行结果（例）：

package java.util;

图5-1：找出class 隶属的package。其中的c将继续沿用于以下各程序片段。



#001 ff = c.getDeclaredFields();

#002 for (int i = 0; i < ff.length; i++)

#003 x = tName(ff<i>.getType().getName(), classRef);

#004

#005 cn = c.getDeclaredConstructors();

#006 for (int i = 0; i < cn.length; i++) {

#007 Class cx[] = cn<i>.getParameterTypes();

#008 for (int j = 0; j < cx.length; j++)

#009 x = tName(cx[j].getName(), classRef);

#010 }

#011

#012 mm = c.getDeclaredMethods();

#013 for (int i = 0; i < mm.length; i++) {

#014 x = tName(mm<i>.getReturnType().getName(), classRef);

#015 Class cx[] = mm<i>.getParameterTypes();

#016 for (int j = 0; j < cx.length; j++)

#017 x = tName(cx[j].getName(), classRef);

#018 }

#019 classRef.remove(c.getName()); //不必记录自己（不需import 自己）



执行结果（例）：

import java.util.ListIterator;

import java.lang.Object;

import java.util.LinkedList$Entry;

import java.util.Collection;

import java.io.ObjectOutputStream;

import java.io.ObjectInputStream;

图5-2：找出导入的classes，动作细节详见内文说明。



#001 int mod = c.getModifiers();

#002 System.out.print(Modifier.toString(mod)); //整个modifier

#003

#004 if (Modifier.isInterface(mod))

#005 System.out.print(" "); //关键词 "interface" 已含于modifier

#006 else

#007 System.out.print(" class "); //关键词 "class"

#008 System.out.print(tName(c.getName(), null)); //class 名称



执行结果（例）：

public class LinkedList

图5-3：找出class或interface 的名称，及其属性（modifiers）。



#001 TypeVariable<Class>[] tv;

#002 tv = c.getTypeParameters(); //warning: unchecked conversion

#003 for (int i = 0; i < tv.length; i++) {

#004 x = tName(tv<i>.getName(), null); //例如 E,K,V...

#005 if (i == 0) //第一个

#006 System.out.print("<" + x);

#007 else //非第一个

#008 System.out.print("," + x);

#009 if (i == tv.length-1) //最后一个

#010 System.out.println("]");

#011 }



执行结果（例）：

public abstract interface Map<K,V>

或 public class LinkedList<E>

图5-4：找出parameterized types 的名称



#001 Class supClass;

#002 supClass = c.getSuperclass();

#003 if (supClass != null) //如果有super class

#004 System.out.print(" extends" +

#005 tName(supClass.getName(),classRef));



执行结果（例）：

public class LinkedList<E>

extends AbstractSequentialList,

图5-5：找出base class。执行结果多出一个不该有的逗号于尾端。此非本处重点，为简化计，不多做处理。



#001 Class cc[];

#002 Class ctmp;

#003 //找出所有被实现的interfaces

#004 cc = c.getInterfaces();

#005 if (cc.length != 0)

#006 System.out.print(", \r\n" + " implements "); //关键词

#007 for (Class cite : cc) //JDK1.5 新式循环写法

#008 System.out.print(tName(cite.getName(), null)+", ");



执行结果（例）：

public class LinkedList<E>

extends AbstractSequentialList,

implements List, Queue, Cloneable, Serializable,

图5-6：找出implemented interfaces。执行结果多出一个不该有的逗号于尾端。此非本处重点，为简化计，不多做处理。



#001 cc = c.getDeclaredClasses(); //找出inner classes

#002 for (Class cite : cc)

#003 System.out.println(tName(cite.getName(), null));

#004

#005 ctmp = c.getDeclaringClass(); //找出outer classes

#006 if (ctmp != null)

#007 System.out.println(ctmp.getName());



执行结果（例）：

LinkedList$Entry

LinkedList$ListItr

图5-7：找出inner classes 和outer class



#001 Constructor cn[];

#002 cn = c.getDeclaredConstructors();

#003 for (int i = 0; i < cn.length; i++) {

#004 int md = cn<i>.getModifiers();

#005 System.out.print(" " + Modifier.toString(md) + " " +

#006 cn<i>.getName());

#007 Class cx[] = cn<i>.getParameterTypes();

#008 System.out.print("(");

#009 for (int j = 0; j < cx.length; j++) {

#010 System.out.print(tName(cx[j].getName(), null));

#011 if (j < (cx.length - 1)) System.out.print(", ");

#012 }

#013 System.out.print(")");

#014 }



执行结果（例）：

public java.util.LinkedList(Collection)

public java.util.LinkedList()

图5-8a：找出所有constructors



#004 System.out.println(cn<i>.toGenericString());



执行结果（例）：

public java.util.LinkedList(java.util.Collection<? extends E>)

public java.util.LinkedList()

图5-8b：找出所有constructors。本例在for 循环内使用toGenericString()，省事。



#001 Method mm[];

#002 mm = c.getDeclaredMethods();

#003 for (int i = 0; i < mm.length; i++) {

#004 int md = mm<i>.getModifiers();

#005 System.out.print(" "+Modifier.toString(md)+" "+

#006 tName(mm<i>.getReturnType().getName(), null)+" "+

#007 mm<i>.getName());

#008 Class cx[] = mm<i>.getParameterTypes();

#009 System.out.print("(");

#010 for (int j = 0; j < cx.length; j++) {

#011 System.out.print(tName(cx[j].getName(), null));

#012 if (j < (cx.length - 1)) System.out.print(", ");

#013 }

#014 System.out.print(")");

#015 }



执行结果（例）：

public Object get(int)

public int size()

图5-9a：找出所有methods



#004 System.out.println(mm<i>.toGenericString());



public E java.util.LinkedList.get(int)

public int java.util.LinkedList.size()

图5-9b：找出所有methods。本例在for 循环内使用toGenericString()，省