Java 反射在实际开发中的应用

  运行时类型识别(RTTI, Run-Time Type Information)是Java中非常有用的机制,在java中,有两种RTTI的方式,一种是传统的,即假设在编译时已经知道了所有的类型;还有一种,是利用反射机制,在运行时再尝试确定类型信息。

  本篇博文会结合Thinking in Java 的demo 和实际开发中碰到的例子,对Java反射和获取类型信息做总体上整理。文章主要分为三块:

  •   Java类加载和初始化
  •   Java中RTTI
  •   Java利用反射获取运行时类型信息

一:Java类加载和初始化

  在学习RTTI的时候,首先需要知道Java中类是如何加载的,java又是如何根据这些class文件得到JVM中需要的信息(备注:我在此处实在是想不到更好的描述,望读者可以给出更好的描述)

1.1 类加载器(类加载的工具)

  类加载器子系统包含一条加载器链,只有一个“原生的类加载器”他是jvm实现的一部分,可以用来记载本地jar包内的class,若涉及加载网络上的类,或者是web服务器应用,可以挂接额外的类加载器。

1.2 Java使用一个类所需的准备工作

1.2.1 动态加载

  所有的类都是第一次使用的时候,动态加载到JVM中。创建对类的静态成员的引用,加载这个类。Java程序在开始运行的时候并非完全加载,类都是用的地方在加载,这就是动态加载

  ①:首先检查这个类是否被加载

  ②:如果没有加载,再去根据类名查找.class文件,加载类的字节码,并校验是否存在不良代码,

测试代码如下:

//candy.java
public class Candy {
static {
System.out.println("loading Candy");
}
}
//cookie.java
public class Cookie {
static {
System.out.println("loading Cookie");
}
}
//Gum.java
public class Gum {
static {
System.out.println("loading Gum");
}
}
//TestMain.java
public class TestMain {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("inside main");
new Candy();
System.out.println("After create Candy");
try {
Class.forName("com.RuntimeTypeInformation.Gum");
} catch (ClassNotFoundException e) {
System.out.println("Could not find Class");
}
System.out.println("After Class.forName");
new Cookie();
System.out.println("After new Cookie()"); }
static void printClassInfo(Class c){
System.out.println("Class Name :"+c.getName()
+"is interface? :" + c.isInterface()
+"simple Name "+ c.getSimpleName()
); }

从输出结果可以清楚看到;class对象仅在需要的时候才会加载,static初始化是在类加载的时候进行

1.2.2 链接

  验证类中的字节码,为静态域分配存储空间。如果必须的话,将解析这个类创建的对其他类的所有引用

1.2.3 初始化

  如果该类存在超类,对其初始化,执行静态初始化器和静态代码块。初始化延迟至 对静态方法或者非静态方法首次引用时执行

二:Java中RTTI  

2.1 :为什么要用到运行时类型信息(就是RTTI)

实际开发中,需求并不是一成不变的(准确来说是经常变),而每新添加需求如果代码的改动量越小肯定是越能提高效率。比如:

package com.RuntimeTypeInformation.circle;

import java.util.Arrays;
import java.util.List; abstract class Shape {
void draw(){
System.out.println(this+".draw()");
}
abstract public String toString();
}
class Circle extends Shape{
@Override
public String toString() { return "Circle"; } }
class Triangle extends Shape{
@Override
public String toString() { return "Triangle"; } }
public class Shapes{
public static void main(String[] args) {
//题外话,Arrays.asList 可变参数列表,可以把传入的多个对象转为一个list
List<Shape> shapes = Arrays.asList(new Triangle(),new Circle());
for (Shape shape : shapes) {
shape.draw();
}
}
}

  当我想要添加一个新的形状,比如说长方形,我只需要编写一个新类继承Shape即可,而不需要修改调用的地方 。在这里用到了 ”多态“(虽然调用的都是shpe的方法,但是JVM能在运行期

准确的知道应该调用具体哪个子类的方法)

  当你第一次了解"多态",你可能是简单知道堕胎就是这么一回事,那么,现在我们去研究一下,java是怎样处理的.

    ① 当把Triangle,Circle 放到 List<Shape>时,会向上转型为Shape,丢失具体的类型

    ② 当从容器中取出Shape对象的时候,List内实际存放的是Object, 在运行期自动将结果转为Shape,这就是RTTI的工作( 在运行时识别一个对象的类型

这时候,如果客户需求又改了,说不希望画的结果存在圆形。应对这种需求,我们可以采用RTTI 查询某个shape引用所指向的具体类型(具体怎么用,可以接着往下看)

2.2  :RTTI在运行时如何表示

  Java的核心思想就是:”一切皆是对象“,比如我们对形状抽象,得到圆形类,三角形类。但我们 对这些类在做一次抽象,得到class用于描述类的一般特性

Java 反射在实际开发中的应用

上图是我用画图画的(有点捞见谅),如果我们可以拿到对象的class,我们就可以利用RTTI得到具体的java类。至于如何拿到Class和怎样用Class得到准确的类,继续往下看。

2.3   :  Class对象

   每一个类都存在与之对应的Class对象(保存在.class文件中),根据class得到具体的对象,请参考“第一章节 类的加载和初始化”

2.3.1 Class对象获取的方式

    ①:Class.forName("全限定类名"),得到Class对象,副作用是“如果对应的类没有加载,则会加载类”。找不到会抛出“”ClassNotFoundException”

    ②:如果有对象,可以直接用对象得到与之对应的Class对象  比如

Shape shape  = new Circle();
shape.getClass()

    ③ ;通过类字面常量  : Shape.class.推荐用该方法,第一是编译器会做检查,第二是根除了对forName的调用,提高效率

2.3.2: Class对象的常用方法  

方法名 说明
forName() (1)获取Class对象的一个引用,但引用的类还没有加载(该类的第一个对象没有生成)就加载了这个类。
(2)为了产生Class引用,forName()立即就进行了初始化。
Object-getClass() 获取Class对象的一个引用,返回表示该对象的实际类型的Class引用。
getName() 取全限定的类名(包括包名),即类的完整名字。
getSimpleName() 获取类名(不包括包名)
getCanonicalName() 获取全限定的类名(包括包名)
isInterface() 判断Class对象是否是表示一个接口
getInterfaces() 返回Class对象数组,表示Class对象所引用的类所实现的所有接口。
getSupercalss() 返回Class对象,表示Class对象所引用的类所继承的直接基类。应用该方法可在运行时发现一个对象完整的继承结构。
newInstance() 返回一个Oject对象,是实现“虚拟构造器”的一种途径。使用该方法创建的类,必须带有无参的构造器
getFields() 获得某个类的所有的公共(public)的字段,包括继承自父类的所有公共字段。 类似的还有getMethods和getConstructors。
getDeclaredFields 获得某个类的自己声明的字段,即包括public、private和proteced,默认但是不包括父类声明的任何字段。类似的还有getDeclaredMethods和getDeclaredConstructors。

2.3.3  泛化的Class 

  Class引用表示它所指向的对象的确切类型,java1.5之后,允许开发者对Class引用所指向的Class对象进行限定,也就是添加泛型。

public static void main(String[] args) {
Class<Integer> intclass = int.class;
intclass = Integer.class;
}

这样可以在编译器进行类型检查,当然可以通过 “通配符” 让引用泛型的时候放松限制 ,语法 : Class<?>

目的:

  ①:为了可以在编译器就做类型检查

  ② : 当 Class<Circle> circle = circle.getClass(); circle.newInstance() 会得到具体的类型 。但此处需注意:

public class Shapes{
public static void main(String[] args) throws InstantiationException, IllegalAccessException {
Class<Circle> circles = Circle.class;
Circle circle = circles.newInstance();//第一:泛化class.newInstance可以直接得到具体的对象
Class<? super Circle> shape = circles.getSuperclass();
Object shape1 = shape.newInstance();//第二:它的父类,只能用逆变的泛型class接收,newInstance得到的是Object类型
}
}

2.3 : RTTI形式总结:

  ①:传统的类型转换,比如我们在上边的demo中用到的  shape.draw();

  ②:利用Class,获取运行时信息。

  ③:得到具体的对象

三:Java利用反射获取运行时类型信息

  如果不知道某一个对象引用的具体类型(比如已经上转型的对象),RTTI可以得到。但前提是这个类型编译器必须已知(那些是编译期不可知呢? 磁盘文件或者是网络连接中获取一串代表类的字节码)

跨网络的远程平台上提供创建和运行对象的能力 这被称为 RMI(远程方法调用),下面会具体的介绍一下 RMI的实现方式

  反射提供了一种机制,用于检查可用的方法,并返回方法名,调用方法。

3.1 : 获取的方式

   Java中提供了jar包 ,Java.lang.reflect 和Class对象一起对反射的概念提供支持。

3.1.1 Java.lang.reflect :

  该类库中包含了Field Method  Constructor.这些类型的对象在JVM运行时创建,用于表示未知类里对应的成员。从而:

  ①:用Constructor创建对象,用get set读取Field内的字段

  ②:用Method.invoke()调用方法

  ③:用getFields()、getMethods()、getConstuctors() 得到与之对应的数组

3.1.2 RTTI和RMI的区别

   检查对象,查看对象属于哪个类,加载类的class文件

  ①:RTTI会在编译期打开和检查.class文件

  ②:RMI  在编译期是 看不到.class文件。只能在运行期打开和检查.class文件

3.2 :   动态代理

3.2.1 我假设你对“代理模式”存在一定的了解(还是简单说一下,代理模式就是在接口和实现之前加一层,用于剥离接口的一些额外的操作)下面是代理模式的示例代码:

public interface Subject
{
public void doSomething();
}
public class RealSubject implements Subject
{
public void doSomething()
{
System.out.println( "call doSomething()" );
}
}
public class ProxyHandler implements InvocationHandler
{
private Object proxied; public ProxyHandler( Object proxied )
{
this.proxied = proxied;
} public Object invoke( Object proxy, Method method, Object[] args ) throws Throwable
{
//在转调具体目标对象之前,可以执行一些功能处理 //转调具体目标对象的方法
return method.invoke( proxied, args); //在转调具体目标对象之后,可以执行一些功能处理
}
}

3.2.2  动态代理就是:动态的创建代理并动态地处理对其所代理的方法的调用。可以参考 "彻底理解JAVA动态代理" ,"深度剖析JDK动态代理机制"。可以理解为更加灵活的代理模式

①  动态代理使用步骤:

  1.通过实现InvocationHandler接口来自定义自己的InvocationHandler;

  2.通过Proxy.getProxyClass获得动态代理类

  3.通过反射机制获得代理类的构造方法,方法签名为getConstructor(InvocationHandler.class) 
 
  4.通过构造函数获得代理对象并将自定义的InvocationHandler实例对象传为参数传入 
 
  5.通过代理对象调用目标方法
public class MyProxy {
public interface IHello{
void sayHello();
}
static class Hello implements IHello{
public void sayHello() {
System.out.println("Hello world!!");
}
}
//自定义InvocationHandler
static class HWInvocationHandler implements InvocationHandler{
//目标对象
private Object target;
public HWInvocationHandler(Object target){
this.target = target;
}
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
System.out.println("------插入前置通知代码-------------");
//执行相应的目标方法
Object rs = method.invoke(target,args);
System.out.println("------插入后置处理代码-------------");
return rs;
}
}
public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
//生成$Proxy0的class文件
System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");
IHello ihello = (IHello) Proxy.newProxyInstance(IHello.class.getClassLoader(), //加载接口的类加载器
new Class[]{IHello.class}, //一组接口
new HWInvocationHandler(new Hello())); //自定义的InvocationHandler
ihello.sayHello();
}
}

②  :动态代理的原理,列举一下参考文献把:(本质上还是用到了反射)

1、JDK动态代理实现原理

2、Java动态代理机制分析及扩展

③  动态代理应用以及备注说明 :

  JDK实现动态代理需要实现类通过接口定义业务方法 (接下来我会简单说一下Cglib实现动态代理)。第二是动态代理非常重要 是反射一个极其重要的模块,很多框架都离不开动态代理,比如Spring 。所以,推荐读者在多去研究一下。

④:Cglib实现动态代理

  参考文档: cglib动态代理介绍(一)

  CGLIB是一个强大的高性能的代码生成包。它广泛的被许多AOP的框架使用,例如spring AOP和dynaop,为他们提供方法的interception(拦截)。最流行的OR Mapping工具hibernate也使用CGLIB来代理单端single-ended(多对一和一对一)关联(对集合的延迟抓取,是采用其他机制实 现的)。EasyMock和jMock是通过使用模仿(moke)对象来测试Java代码的包。它们都通过使用CGLIB来为那些没有接口的类创建模仿 (moke)对象。
  CGLIB包的底层是通过使用一个小而快的字节码处理框架ASM,来转换字节码并生成新的类。除了CGLIB包,脚本语言例如 Groovy和BeanShell,也是使用ASM来生成java的字节码。当不鼓励直接使用ASM,因为它要求你必须对JVM内部结构包括class文 件的格式和指令集都很熟悉

  "在运行期扩展java类及实现java接口",补充的是java动态代理机制要求必须实现了接口,而cglib针对没实现接口的那些类,原理是通过继承这些类,成为子类,覆盖一些方法,所以cglib对final的类也不生效

cglib实现动态代理的demo:参考  CGLib动态代理原理及实现

  这是要代理的类:

public class SayHello {
public void say(){
System.out.println("hello everyone");
}
}

  代理类的核心

public class CglibProxy implements MethodInterceptor{
private Enhancer enhancer = new Enhancer();
public Object getProxy(Class clazz){
//设置需要创建子类的类
enhancer.setSuperclass(clazz);
enhancer.setCallback(this);
//通过字节码技术动态创建子类实例
return enhancer.create();
}
//实现MethodInterceptor接口方法
public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args,
MethodProxy proxy) throws Throwable {
System.out.println("前置代理");
//通过代理类调用父类中的方法
Object result = proxy.invokeSuper(obj, args);
System.out.println("后置代理");
return result;
}
}

测试结果:

public class DoCGLib {
public static void main(String[] args) {
CglibProxy proxy = new CglibProxy();
//通过生成子类的方式创建代理类
SayHello proxyImp = (SayHello)proxy.getProxy(SayHello.class);
proxyImp.say();
}
}

四: Java反射在实际开发中应用

  通常,我们在一般的业务需求中是用不到反射的,但我们在更加动态的代码时,我们就可以选择反射来实现(例如对象序列化和 JavaBean)。主要的逻辑我在上边都已经说明了,所以接下来 更多的是代码展示:

    实际开发中,在运行时得到Class信息,获取method ,通过反射method.invoke()调用方法。这样做是出于AOP的设计思想。举例来说,我一个传统的web项目,我可以同过http直接传递请求给后台servlet,假如我想添加一个记录日志,或者是在请求的session中添加一个信息,如果只有一个请求,我可以直接在htttp加,但实际上请求会很多,这是我为什么在sevlet外在抽出一层,通过反射调用servlet 

    当然,很多框架其实也为我们提供了拦截的配置(这是后话)

4.1  :在web项目中创建统一的拦截层 

doPost(..){
//这是项目中的setvlet统一的拦截层,接下来我们看一下 actionInvoker.invoke
...
else if (requestType.equalsIgnoreCase("image")) {
try {
ActionClassInfo actionClassInfo = actionInvoker.getClassInfo(action, request, response);
actionClassInfo.setArgs(queryStringMap);
Object object = actionInvoker.invoke(actionClassInfo);
response.addHeader("accept-ranges", "bytes");
byte[] bytes = (byte[]) object;
response.addHeader("Content-type", "application/png");
response.addHeader("content-length", String.valueOf(bytes.length));
response.getOutputStream().write(bytes, 0, bytes.length);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} catch (Throwable e) {
e.printStackTrace();
} finally {
response.getOutputStream().flush();
response.getOutputStream().close();
}
}
}

actionInvoker.invoke()方法代码如下: 在这方法内,我就可以添加我想要的处理,比如先判断是否在缓存中存在,核心的只有 method.invoke

public Object invoke(ActionClassInfo action) throws Exception {
// 执行方法之前
Object cache = null;
for (Object object : action.getProxys()) {
if (object instanceof Intercepter){
cache = ((Intercepter) object).before(action);
if(cache != null && object instanceof RedisCacheHandler){
return cache; //缓存的结果直接返回
}
}
}
Method method = action.getMethod();
Object business = action.getClazz();
Map<Object, Object> args = action.getArgs();
method.setAccessible(true);
Object result = method.invoke(business, args); // 执行方法后
for (Object object : action.getProxys()) {
if (object instanceof Intercepter)
result = ((Intercepter) object).after(result, action);
} return result;
}

4.2 : 用于webService服务 :和servlet做同意拦截,用反射去调用方法的目的一样(添加一些想要的处理,比如校验用户)。核心也是反射调用方法

    

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