高级 Java 思考笔记之反射的基本原理之一

发表于:2021-11-02 09:59  作者:陈屹   来源:Coding迪斯尼

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  原来我一直将java当做不用delete的c++来用,但是最近在工作上遇到一些问题,发现这样的做法不管用,因为工作上遇到的java代码采用了很多框架,例如spring boot之类。当我想深入了解这些框架的设计原理时发现,如果不了解java的高级语法特性,这些框架的设计思维或运行方式根本就无法理解。
  后来稍微调查一下发现,自从java8之后,java的语法发生了巨大的变化,代码的设计模式也不再像以前“不用delete的c++”,参照原来c++的思维去解读java代码已经行不通了,于是重新学习,顺便在学习和思考中做一些总结输出。
  java新增语法特征中,有较为抽象的一部分叫反射,其实说白了就是用程序来控制程序。java将一切概念都包含在类中,于是对应每一个具体类,语言体系还为特定的具体类生成了描述其特性的抽象类,例如我们定义了如下一个类:
  static public class HelloWorld { 
      public void sayHelloWorld1(String s) { 
             System.out.println("say hello world 1!: " + s); 
         } 
   
         public void sayHelloWorld2(int i) { 
             System.out.println("say hello world 2: " + i); 
         } 
   
         protected  void sayHelloWorld3() { 
             System.out.println("say hello world3"); 
         } 
   
         private void sayHelloworld4() { 
             System.out.println("say hello world4"); 
         } 
   
         public String field1 = "hello"; 
         protected int field2 = 1; 
         private int field3 = 2; 
   
     } 
  这个类里面有公有,保护,私有等几个方法,虚拟机在为这个类生成字节码时,还构建了另一个类,用于描述这个类的类,可以称为它的源类,后者用来描述前者在编程语言上的特性,例如它包含了哪些方法,这些方法对应的参数,返回值,公有私有等,如果把一个类比作人,那么反射其实就是x光扫描,它把你内外的具体细节都暴露出来,我们看看怎么用反射来解读上面定义的类:
  public static void manipulateHelloWorldClass(Object obj) { 
          Class cls = obj.getClass(); 
          //打印出类对象对应的类名 
          System.out.println("object class name: " + cls.getName()); 
          //返回实例对应的类所声明的所有函数 
          Method[] methods = cls.getDeclaredMethods(); 
          for (Method method : methods) { 
              System.out.println("delcared method name: " +  method.getName()); 
          } 
      } 
   
      public static void main(String[] args) { 
          HelloWorld helloWorld = new HelloWorld(); 
          manipulateHelloWorldClass(helloWorld); 
      } 
  上面代码运行后输出结果如下:
  可以看到,代码打印出helloword实例对象在编程语言上的信息,例如上面代码就打印出它对应类的名字,都有哪些方法等等,在Java语言中Class类也叫原类,它用来解析所有实例对应类在编程语法上的信息,每个实例对应的类都能得到一个Class类对应的实例,就像代码中那样,这个实例能够查询对应类有哪些方法,定义了哪些字段.
  代码中调用了getDeclaredMethods来获得实例所对应类在定义时声明的所有方法,Class类还有一个方法叫getMethods,它返回实例对应类自己在定义时所声明的公有方法,以及继承过来的所有公有方法。
  反射机制一个很重要的作用就是能够查询给定实例是否有特定接口,然后调用相关接口,代码如下:
  public static void callMethod(Object obj) { 
          Class cls = obj.getClass(); 
          try { 
              Method method = cls.getMethod("sayHelloWorld1", new Class[] {String.class}); 
              method.invoke(obj, new Object[]{"hello world"}); 
              method = cls.getMethod("sayHelloWorld2", new Class[] {int.class}); 
              method.invoke(obj, new Object[]{new Integer(123)}); 
          } catch(NoSuchMethodException e) { 
              e.printStackTrace();; 
          } catch (IllegalAccessException e) { 
              throw new IllegalArgumentException("Insufficient access permissions to call" 
                      + "setColor(:Color) in class " + cls.getName()); 
          } catch (InvocationTargetException ex) { 
              throw new RuntimeException(ex); 
          } 
   
      } 
   
      public static void main(String[] args) { 
          HelloWorld helloWorld = new HelloWorld(); 
        //  manipulateHelloWorldClass(helloWorld); 
          callMethod(helloWorld); 
      } 
  上面代码执行后结果如下所示:
  我们可以体会到,c++是不会有这种特性的,java由于具备了这种反射机制,使得它能够用来开发很多框架,在java世界里形形色色的框架特别多,这跟它在语法上支持反射不无关系,类似spring boot这些java程序员绝对必须要掌握的框架,它的设计就大量使用了反射机制。
  使用反射功能还可以很好的实现类实例的序列化,当我们想要将一个类实例的信息从内存存储到硬盘时,我们就需要将类实例当前内部各个字段的信息存储到文件里,以后需要的时候再从文件中读出,然后利用读到的数据重新把类的实例new出来,因此实现序列化第一步就是要获得类实例所有字段的数据,相应代码如下:
  import java.lang.reflect.*; 
  import java.util.*; 
   
  public class Serializer { 
      public static Field[] getInstanceVariable(Object obj) { 
          Class cls = obj.getClass(); 
          List accumFields = new LinkedList(); 
          while (cls != null) { 
              //获得实例对应类所声明的全部字段 
              Field[] fields = cls.getDeclaredFields(); 
              for (Field field : fields) { 
                  accumFields.add(field); //将字段对应的元类对象存储起来 
              } 
   
              cls = cls.getSuperclass(); //获得父类对象 
          } 
      } 
  } 
  代码中要注意到,实例化一个类实例时,还需要考虑这个类的继承关系,如果它有父类的话,我们还需要取得其父类的字段对应的信息,所以代码中使用getSupperclass方法获得实例对应类的父类的源类对象。
  前面代码中我们看到,Field类对应的getModifier能返回字段的修饰属性,也就是字段是public, private, protected , static, native等等,它返回的是一个2的指数幂数值,实际上它对应一个16比特位数值,当字段属于哪种情况,就在相应的比特位上设置为1,因为字段的属性总共有16种,因此getModifier返回一个2字节的整数。
  得到这个数值后,我们再调用一系列方法获得其属性,例如isPublic返回字段是否是public类型,isPrivate返回字段是否为private类型等。由于我们在序列化一个实例时,不用关注那些静态变量,因为静态变量的值是写死的,因此需要对上面的代码进行修改,忽略掉那些被static修饰的字段:
  import java.lang.reflect.*; 
  import java.util.*; 
   
  public class Serializer { 
      public static Field[] getInstanceVariable(Object obj) { 
          Class cls = obj.getClass(); 
          List accumFields = new LinkedList(); 
          while (cls != null) { 
              //获得实例对应类所声明的全部字段 
              Field[] fields = cls.getDeclaredFields(); 
              for (Field field : fields) { 
                  //确保字段不是static类型 
                  if(!Modifier.isStatic(field.getModifiers())) { 
                      accumFields.add(field); 
                  } 
              } 
   
              cls = cls.getSuperclass(); //获得父类对象 
          } 
   
          Field[] retvalue = new Field[accumFields.size()]; 
          return (Field[])accumFields.toArray(retvalue); 
      } 
  } 
  这里还有很多问题需要考虑,例如序列化实例时,我们需要获取类实例里面字段的值,但是如果字段属性是private或者protected时,我们就不能直接从类实例中读取字段内容,同时如果字段对应的是数组类型,那么我们还得采取特定的处理方法。

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