反射机制

1. Java反射机制的概念
- 1.1 静态&动态语言
- 1.2 反射机制概念
- 1.3 反射机制研究与应用
- 1.4 反射机制的优缺点
2. 理解Class类并获取Class实例
- 2.1 Class类介绍
- 2.2 获取Class类的实例
- 2.3 那些类型可以有Class对象？
3. 类的加载与CassLoader
- 3.1 Java内存分析
- 3.2 类的加载过程
- 3.3 什么时候会发生类初始化？
- 3.4 类加载器的作用
4. 创建运行时类的对象
5. 获取运行类的完整结构
6. 调用运行时类的指定结构
- 6.1 有了Class对象，能做什么?
- 6.2 方法及使用
- 6.3 性能检测
7. 反射操作泛型
8. 反射操作注解

1. Java反射机制的概念

1.1 静态&动态语言

动态语言：
是一类在运行时可以改变其结构的语言：例如新的函数、对象、甚至代码可以被引进，已有的函数可以被删除或是其他结构上的变化。通俗点说就是在运行时代码可以根据某些条件改变自身结构。
主要动态语言：Object-C、C#、JavaScript、PHP、Python等。
静态语言:
与动态语言相对应的，运行时结构不可变的语言就是静态语言。如 Java、C、C++。
Java不是动态语言，但Java可以称之为 “准动态语言”。即Java有一定的动态性，我们可以利用反射机制获取类似动态语言的特性。Java的动态性让编程的时候更加灵活。

1.2 反射机制概念

Java Reflection

Reflection(反射)是Java被视为动态语言的关键，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，并能直接操作任意对象的内部属性及方法。
Class c = Class.forName("java.lang.String");
加载完类之后，在堆内存的方法区中就产生了一个Class类型的对象（一个类只有一个Class对象），这个对象就包含了完成的类的结构信息。我们可以通过这个对象看到类的结构。这个对象就像一面镜子，透过这个镜子看到类的结构，所以，我们形象的称之为：反射

在这里插入图片描述

1.3 反射机制研究与应用

Java反射机制提供的功能

在运行时判断任意一个对象所属的类
在运行时构造任意一个类的对象
在运行时判断任意一个类所具有的成员变量和方法
在运行时获取泛型信息
在运行时调用任意一个对象的成员变量和方法
在运行时处理注解
生成动态代理
…

1.4 反射机制的优缺点

优点：
可以实现动态创建对象和编译，体现出很大的灵活性
缺点：
对性能有影响。使用反射基本上是一种解释操作，我们可以告诉JVM，我们希望做什么并且她满足我们的要求。这类操作总是慢于直接执行相同的操作。

反射相关的主要API

java.lang.Class：代表一个类
java.lang.reflect.Method：代表类的方法
java.lang.reflect.Field：代表类的成员变量
java.lang.reflect.Constructor：代表类的构造器
…

// 反射
public class Demo04_Deflection {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> userClass = Class.forName("com.ppt.test.User");
        System.out.println(userClass);

        Class<?> userClass1 = Class.forName("com.ppt.test.User");
        Class<?> userClass2 = Class.forName("com.ppt.test.User");
        Class<?> userClass3 = Class.forName("com.ppt.test.User");
        Class<?> userClass4 = Class.forName("com.ppt.test.User");

        // 一个类在内存中只有一个Class对象
        // 一个类被加载后，类的整个结构都会被封装在Class对象中

        System.out.println(userClass1.hashCode());
        System.out.println(userClass2.hashCode());
        System.out.println(userClass3.hashCode());
        System.out.println(userClass4.hashCode());

    }

}

2. 理解Class类并获取Class实例

2.1 Class类介绍

在Object类中定义了以下的方法，此方法将被所有子类继承

public final Class getClass()

以上的方法返回值类型是一个Class类，此类是Java反射的源头，实际上所谓反射从程序的运行结果来看也很好理解，即：可以通过对象反射求出类的名称。

对象照镜子后可以得到的信息：某个类的属性、方法和构造器、某个类到底实现了哪些接口。对于每个类而言，JRE都为其保留一个不变的CLass类型的对象。一个Class对象包含了特定某个结构（class/interface/enum/annotation/primitive type/void[]）的有关信息。

Class本身也是一个类
Class 对象只能由系统建立对象
一个加载的类在 JVM 中只会有一个Class实例
一个Class对象对应的是一个加载到 JVM 中的一个.class文件
每个类的实例都会记得自己是由哪个Class实例所生成
通过Class 可以完整地得到一个类中的所有被加载的结构
Class 类是 Reflection 的根源，针对任何你想动态加载、运行的类，唯有先获得相应的Class对象

Class类的常用方法

方法名	功能说明
static ClassforName(String name)	返回指定类名name的Class对象
Object newInstance()	调用缺省构造函数，返回Class对象的一个实例
getName()	返回此Class对象所表示的实体( 类、接口、数组类或void )的名称
Class getSuperClass()	返回当前Class对象的父类的Class对象
Class[] getInterfaces()	返回当前Class对象的接口
ClassLoader getClassLoader()	返回该类的类加载器
Constructor[] getConstructor()	返回一个包含某些Constructor对象的数组
Method getMothed(String name,Class… T)	返回一个Method对象，此对象的形参类型为paramType
Field[] getDeclaredFields()	返回Field对象的一个数组

2.2 获取Class类的实例

若已知具体的类，通过类的class属性获取，该方法最为安全可靠，程序性能最高。
Class clazz = Person.class;
已知某个类的实例，调用该实例的getClass()方法获取Class对象
Class clazz = person.getClass();
已知一个类的全类名，且该类在类路径下，可通过Class类的静态方法forName()获取，可能爆出ClassNotFoundException
Class clazz = Class.forName("demo01.Student");
内置基本数据类型可以直接用类名.Type
还可以利用ClassLoader

// 测试class类的创建方式
public class Demo05_CreateClass {

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Person person  = new Student();
        System.out.println("这个人是"+person.name);

        // 方式一：通过对象查询
        Class c1 = person.getClass();
        System.out.println(c1.hashCode());

        // 方式二：通过forName获得
        Class c2 = Class.forName("com.ppt.test.Student");
        System.out.println(c2.hashCode());

        // 方式三：通过类名.class获得
        Class c3 = Student.class;
        System.out.println(c3.hashCode());

        // 方式四：基本类型的包装类都有一个Type
        Class c4 = Integer.TYPE;
        System.out.println(c4);

        // 获得父类类型
        Class c5 = c1.getSuperclass();
        System.out.println(c5);

    }

}

class Person{
    String name;
    public Person(){

    }
    public Person(String name){
        this.name = name;
    }
    public String getName(){
        return this.name;
    }
    public void setName(String name){
        this.name = name;
    }

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

class Student extends Person{
    public Student(){
        this.name = "学生";
    }
}

class Teacher extends Person{
    public Teacher(){
        this.name="老师";
    }
}

2.3 那些类型可以有Class对象？

class：外部类，成员（成员内部类，静态内部类），局部内部类，匿名内部类
interface：接口
[]：数组
enum：枚举
annotation：直接@interface
primitive type：基本数据类型
void

//所有类型的Class
public class Demo06_AllTypeClass {
    public static void main(String[] args) {
        Class c1 = Object.class; //类
        Class c2 = Comparable.class; //接口
        Class c3 = String[].class; //一维数组
        Class c4 = int[][].class; //二维数组
        Class c5 = Override.class; //注解
        Class c6 = ElementType.class; //美剧
        Class c7 = Integer.class; //基本数据类型
        Class c8 = void.class; //void
        Class c9 = Class.class; //class
        System.out.println(c1);
        System.out.println(c2);
        System.out.println(c3);
        System.out.println(c4);
        System.out.println(c5);
        System.out.println(c6);
        System.out.println(c7);
        System.out.println(c8);
        System.out.println(c9);

        //只要元素类型与维度一样,就是同一个Class
        int[] a = new int[10];
        int[] b = new int[100];
        System.out.println(a.getClass().hashCode());
        System.out.println(b.getClass().hashCode());
    }
}

3. 类的加载与CassLoader

3.1 Java内存分析

在这里插入图片描述

3.2 类的加载过程

当程序主动使用某个类时，如果该类还未被加载到内存中，则系统会通过如下三个步骤来对该类进行初始化。
在这里插入图片描述

加载：将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些静态数据转换成方法区的运行时数据结构，然后生成一个代表这个类的1java.lang.Class1对象
链接：将Java的二进制代码合并到JVM 的运行状态之中的过程。
- 验证：确保加载的类信息符合 JVM规范，没有安全方面的问题
- 准备：正式为类变量（`static1）分配内存并设置类变量默认初始值的阶段，这些内存都将在方法区中进行分配。
- 解析：虚拟机常量池内的符号引用（常量名）替换成直接引用（地址）的过程
初始化:
- 执行类构造器()方法的过程。类构造器()方法是由编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并产生的。（类的构造器时构造类信息的，不是构造该类对象的构造器）
- 当初始化一个类的时候，如果发现其弗雷还没有进行初始化，则需要先触发其父类的初始化。
- 虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确加锁和同步

3.3 什么时候会发生类初始化？

类的主动引用（一定会发生类的初始化）
- 当虚拟机启动，先初始化main方法所在的类
- new一个类的对象
- 调用类的静态成员（除了final常量）和静态方法
- 使用java.lang.reflect包的方法进行反射调用
- 当初始化一个类，如果其父类没有被初始化，则先会初始化它的父类
类的被动引用（不会发生类的初始化）
- 当访问一个静态域时，只有真正声明这个域的类才会被初始化。如：当通过子类引用父类的静态变量，不会导致子类初始化
- 通过数组定义类引用，不会触发此类的初始化
- 引用常量不会触发此类的初始化（常量在链接阶段就存入调用类的常量池中了）

3.4 类加载器的作用

类加载器的作用：将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些静态数据转换成方法区的运行时数据结构，然后在堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区中类数据的访问入口。
类缓存：标准的JavaSE类加载器可以按要求查找类，但一旦某个类被加载到类加载器中，它将维持加载（缓存）一段时间。不过JVM垃圾回收机制可以回收这些Class对象

在这里插入图片描述

引导类加载器：用C++编写的，是JVM自带的类加载器，负责Java平台核心库，用来装载核心类库，该加载器无法直接获取
扩展类加载器：负责 jre/lib/ext 目录下的 jar 包或 -D java.ext.dirs 指定目录下的 jar 包装入工作库
系统类加载器：负责java -classpath 或 -D java.class.path 所指的目录下的类与 jar 包装入工作，是最常用的加载器

package com.ppt.test;

public class Demo09_ClassLoader1 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        // 获取系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);

        // 获取系统类加载器的父类加载器 --> 扩展类加载器 jre1.8.0_91\lib\ext
        ClassLoader parent = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(parent);

        // 获取扩展类加载器父类加载器--> 根加载器(c/c++) jre1.8.0_91\lib\rt.jar
        ClassLoader parent1 = parent.getParent();
        System.out.println(parent1);

        // 测试当前类是哪个加载器加载的
        ClassLoader classLoader = Class.forName("com.ppt.test.Demo09_ClassLoader1").getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);
        
        // 测试JDK内置的类是谁加载的
        ClassLoader classLoader1 = Class.forName("java.lang.Object").getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);
        
        // 如何获得系统类加载器 可加载的路径
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));

        
        // 双亲委派机制 检测安全性 你写的类和根加载器一样的不会呢给你写的类
        // java.lang.String --> 往上推
    }
}

4. 创建运行时类的对象

5. 获取运行类的完整结构

通过反射获取运行时类的完整结构
Field、Method、Constructor、Superclass、Interface、Annotation

实现的全部接口
所继承的父类
全部的构造器
全部的方法
全部的Field
注解
…

方法：

Class c1 = Class.forName("com.ppt.test.User");

// 获取类的名字
c1.getName(); // 获得包名 + 类名
c1.getSimpleName(); // 获得类名

// 获取类的属性
c1.getFields(); // 只能找到public属性
c1.getDeclaredFields(); // 找到全部的属性
c1.getDeclaredField("name");// 获得指定的属性

// 获取类的方法
c1.getMethods(); // 获得本类及父类的全部public方法
c1.getDeclaredMethods(); // 获得本类的所有方法
c1.getMethod("getName",null); // 或者指定的方法

// 获取类的构造器
c1.getConstructors();
c1.getDeclaredConstructors();
c1.getDeclaredConstructor(String.class,int.class,int.class); // 获取指定的构造器

在实际的操作中，取得类的信息的操作代码，并不会经常开发
一定要熟悉java.lang.reflect包的作用，反射机制
如何获取属性、方法、构造器的名称、修饰符等。

6. 调用运行时类的指定结构

6.1 有了Class对象，能做什么?

创建类的对象：调用Class对象的newInstance()方法
1. 类必须有一个无参的构造器
2. 类的构造器的访问权限需要足够

注意：如果没有无参构造器，则可以通过Class类的getDeclaredConstructor(Class … parameterTypes)取得本类的指定形参类型的构造器，传递有参构造器所需的各个参数，然后通过Costructor实例化对象

6.2 方法及使用

调用指定的方法
通过反射，调用类中的方法，通过Method类完成。
1. 通过Class类的getMethod(String name,Class…parameterTypes)方法取得一个Method对象，并设置此方法操作时所需要的参数类型
2. 之后使用Object invoke (Object obj, Object[] args)进行调用，并向方法中传递要设置的obj对象的参数信息
  
  Object invoke(Object obj,Object ... args)
- Object 对应原方法的返回值，若方法无返回值，此时返回null
- 若原方法为静态方法，此时形参Object 可为 null
- 若原方法形参列表为空，则Object [] args 为null
- 若原方法声明为private ，则需要在调用此invoke()方法前，显式调用方法对象的setAccessible(true)方法，将可访问private的方法

setAccessible

Method和Field、Constructor对象都有setAccessible方法
setAccessible作用是启动和禁用访问安全检查的开关
参数值为true则表示反射的对象在使用时应该取消Java语言访问检查
- 提高反射的效率。如果代码中必须用反射，则该句代码需要频繁的被调用
- 使得原本无法访问的私有成员也可以访问
参数值为false则表示反射的对象应该实施Java语言访问检查

// 获得Class对象
Class c1 = Class.forName("com.ppt.test.User");
// 本质上调用了类的无参构造器
User user = (User)c1.newInstance();
System.out.println(user);

// 构造器创建对象
Constructor constructor = c1.getDeclaredConstructor(Long.class,String.class,String.class);
User user1 = (User)constructor.newInstance(1L,"张三","123");
System.out.println(user1);


// 通过反射调用普通方法
Method setUsername = c1.getDeclaredMethod("setUsername", String.class);
// invoke激活
// (对象，"方法值")
setUsername.invoke(user,"李四");
System.out.println(user.getUsername());

// 通过反射操作属性
User user3 =(User)c1.newInstance();
Field username = c1.getDeclaredField("username");
// 设置安全检测, 不能直接操作私有属性
username.setAccessible(true);

username.set(user3,"王五");
System.out.println(user3.getUsername());

6.3 性能检测

//分析性能问题
public class Demo12_Performance {
    //普通方式调用
    public static void test01() {
        User user = new User();
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
            user.getName();
        }

        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("普通方式执行10亿次:" + (endTime - startTime) + "ms");
    }

    //反射方式调用
    public static void test02() throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {
        User user = new User();
        Class c1 = user.getClass();
        Method getName = c1.getDeclaredMethod("getName", null);
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
            getName.invoke(user,null);
        }

        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("反射方式执行10亿次:" + (endTime - startTime) + "ms");
    }

    //反射方式调用,关闭检测
    public static void test03() throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {
        User user = new User();
        Class c1 = user.getClass();
        Method getName = c1.getDeclaredMethod("getName", null);
        getName.setAccessible(true);
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
            getName.invoke(user,null);
        }

        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("反射方式执行10亿次,关闭检测:" + (endTime - startTime) + "ms");
   }

    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException {
        test01();
        test02();
        test03();
    }
}

7. 反射操作泛型

Java采用泛型擦除的机制引入泛型，Java中的泛型仅仅是给编译器javac使用的，确保数据的安全性和免去强制类型转换问题，但是，一旦编译完成，所有和泛型有关的类型全部擦除
为了通过反射操作这些类型，Java新增了ParameterizedType、GenericArrayType、TypeVariable和WildcardType几种类型来代表不能被归一到Class类中的类型但是又和原始类型齐名的类型
ParameterizedType：表示一种参数化类型，比如Collection<String>
GenericArrayType：表示一种元素类型时参数化类型或者类型变量的数组类型
TypeVariable：是各种类型变量的公共父接口
wildcardType：代表一种通配符类型表达式

8. 反射操作注解

getAnnotations
getAnnotation

//练习反射操作注解
public class Demo14_ORM {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchFieldException {
        Class c1 = Class.forName("cn.doris.reflection.Student2");
        //通过反射获取注解
        Annotation[] annotations = c1.getAnnotations();
        for (Annotation annotation : annotations) {
            System.out.println(annotation);
        }

        //获得注解value
        TableDoris tableDoris = (TableDoris) c1.getAnnotation(TableDoris.class);
        String value = tableDoris.value();
        System.out.println(value);

        //获得类指定的注解
        Field name = c1.getDeclaredField("name");
        FiledDoris annotation = name.getAnnotation(FiledDoris.class);
        System.out.println(annotation.columnName());
        System.out.println(annotation.type());
        System.out.println(annotation.length());
    }
}

@TableDoris("db_student")
class Student2 {
    @FiledDoris(columnName = "db_id", type = "int", length = 10)
    private int id;
    @FiledDoris(columnName = "db_age", type = "int", length = 3)
    private int age;
    @FiledDoris(columnName = "db_name", type = "varchar", length = 200)
    private String name;

    public Student2() {
    }

    public Student2(int id, int age, String name) {
        this.id = id;
        this.age = age;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student2{" +
                "id=" + id +
                ", age=" + age +
                ", name='" + name + '\'' +
                '}';
    }

    public int getId() {
        return id;
    }

    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

//类名注解
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@interface TableDoris {
    String value();
}

//属性注解
@Target(ElementType.FIELD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@interface FiledDoris {
    String columnName();

    String type();

    int length();
}