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「每日分享」深入理解Java类型信息(Class对象)与反射机制

gowuye 2024-04-04 11:57 9 浏览 0 评论

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本篇主要是深入对Java中的Class对象进行分析,这对后续深入理解反射技术非常重要,主要内容如下:

  • 深入理解Class对象
  • RRTI的概念以及Class对象作用
  • Class对象的加载及其获取方式
  • Class对象的加载
  • ClassforName方法
  • Class字面常量
  • 理解泛化的Class对象引用
  • 关于类型转换的问题
  • instanceof 关键字与isInstance方法
  • 理解反射技术
  • Constructor类及其用法
  • Field类及其用法
  • Method类及其用法
  • 反射包中的Array类

深入理解Class对象

RRTI的概念以及Class对象作用

认识Class对象之前,先来了解一个概念,RTTI(Run-Time Type Identification)运行时类型识别,对于这个词一直是 C++ 中的概念,至于Java中出现RRTI的说法则是源于《Thinking in Java》一书,其作用是在运行时识别一个对象的类型和类的信息,这里分两种:传统的”RRTI”,它假定我们在编译期已知道了所有类型(在没有反射机制创建和使用类对象时,一般都是编译期已确定其类型,如new对象时该类必须已定义好),另外一种是反射机制,它允许我们在运行时发现和使用类型的信息。在Java中用来表示运行时类型信息的对应类就是Class类,Class类也是一个实实在在的类,存在于JDK的java.lang包中,其部分源码如下:

Class类被创建后的对象就是Class对象,注意,Class对象表示的是自己手动编写类的类型信息,比如创建一个Shapes类,那么,JVM就会创建一个Shapes对应Class类的Class对象,该Class对象保存了Shapes类相关的类型信息。实际上在Java中每个类都有一个Class对象,每当我们编写并且编译一个新创建的类就会产生一个对应Class对象并且这个Class对象会被保存在同名.class文件里(编译后的字节码文件保存的就是Class对象),那为什么需要这样一个Class对象呢?是这样的,当我们new一个新对象或者引用静态成员变量时,Java虚拟机(JVM)中的类加载器子系统会将对应Class对象加载到JVM中,然后JVM再根据这个类型信息相关的Class对象创建我们需要实例对象或者提供静态变量的引用值。需要特别注意的是,手动编写的每个class类,无论创建多少个实例对象,在JVM中都只有一个Class对象,即在内存中每个类有且只有一个相对应的Class对象,挺拗口,通过下图理解(内存中的简易现象图):

到这我们也就可以得出以下几点信息:

  • Class类也是类的一种,与class关键字是不一样的。
  • 手动编写的类被编译后会产生一个Class对象,其表示的是创建的类的类型信息,而且这个Class对象保存在同名.class的文件中(字节码文件),比如创建一个Shapes类,编译Shapes类后就会创建其包含Shapes类相关类型信息的Class对象,并保存在Shapes.class字节码文件中。
  • 每个通过关键字class标识的类,在内存中有且只有一个与之对应的Class对象来描述其类型信息,无论创建多少个实例对象,其依据的都是用一个Class对象。
  • Class类只存私有构造函数,因此对应Class对象只能有JVM创建和加载
  • Class类的对象作用是运行时提供或获得某个对象的类型信息,这点对于反射技术很重要(关于反射稍后分析)。

Class对象的加载及其获取方式

Class对象的加载

前面我们已提到过,Class对象是由JVM加载的,那么其加载时机是?实际上所有的类都是在对其第一次使用时动态加载到JVM中的,当程序创建第一个对类的静态成员引用时,就会加载这个被使用的类(实际上加载的就是这个类的字节码文件),注意,使用new操作符创建类的新实例对象也会被当作对类的静态成员的引用(构造函数也是类的静态方法),由此看来Java程序在它们开始运行之前并非被完全加载到内存的,其各个部分是按需加载,所以在使用该类时,类加载器首先会检查这个类的Class对象是否已被加载(类的实例对象创建时依据Class对象中类型信息完成的),如果还没有加载,默认的类加载器就会先根据类名查找.class文件(编译后Class对象被保存在同名的.class文件中),在这个类的字节码文件被加载时,它们必须接受相关验证,以确保其没有被破坏并且不包含不良Java代码(这是java的安全机制检测),完全没有问题后就会被动态加载到内存中,此时相当于Class对象也就被载入内存了(毕竟.class字节码文件保存的就是Class对象),同时也就可以被用来创建这个类的所有实例对象。下面通过一个简单例子来说明Class对象被加载的时机问题(例子引用自Thinking in Java):

在上述代码中,每个类Candy、Gum、Cookie都存在一个static语句,这个语句会在类第一次被加载时执行,这个语句的作用就是告诉我们该类在什么时候被加载,执行结果:

inside main

Loading Candy

After creating Candy

Loading Gum

After Class.forName("com.zejian.Gum")

Loading Cookie

After creating Cookie

Process finished with exit code 0

从结果来看,new一个Candy对象和Cookie对象,构造函数将被调用,属于静态方法的引用,Candy类的Class对象和Cookie的Class对象肯定会被加载,毕竟Candy实例对象的创建依据其Class对象。比较有意思的是

Class.forName("com.zejian.Gum");

其中forName方法是Class类的一个static成员方法,记住所有的Class对象都源于这个Class类,因此Class类中定义的方法将适应所有Class对象。这里通过forName方法,我们可以获取到Gum类对应的Class对象引用。从打印结果来看,调用forName方法将会导致Gum类被加载(前提是Gum类从来没有被加载过)。

Class.forName方法

通过上述的案例,我们也就知道Class.forName()方法的调用将会返回一个对应类的Class对象,因此如果我们想获取一个类的运行时类型信息并加以使用时,可以调用Class.forName()方法获取Class对象的引用,这样做的好处是无需通过持有该类的实例对象引用而去获取Class对象,如下的第2种方式是通过一个实例对象获取一个类的Class对象,其中的getClass()是从顶级类Object继承而来的,它将返回表示该对象的实际类型的Class对象引用。

注意调用forName方法时需要捕获一个名称为ClassNotFoundException的异常,因为forName方法在编译器是无法检测到其传递的字符串对应的类是否存在的,只能在程序运行时进行检查,如果不存在就会抛出ClassNotFoundException异常。

Class字面常量

在Java中存在另一种方式来生成Class对象的引用,它就是Class字面常量,如下:

//字面常量的方式获取Class对象
Class clazz = Gum.class;

这种方式相对前面两种方法更加简单,更安全。因为它在编译器就会受到编译器的检查同时由于无需调用forName方法效率也会更高,因为通过字面量的方法获取Class对象的引用不会自动初始化该类。更加有趣的是字面常量的获取Class对象引用方式不仅可以应用于普通的类,也可以应用用接口,数组以及基本数据类型,这点在反射技术应用传递参数时很有帮助,关于反射技术稍后会分析,由于基本数据类型还有对应的基本包装类型,其包装类型有一个标准字段TYPE,而这个TYPE就是一个引用,指向基本数据类型的Class对象,其等价转换如下,一般情况下更倾向使用.class的形式,这样可以保持与普通类的形式统一。

boolean.class = Boolean.TYPE;
char.class = Character.TYPE;
byte.class = Byte.TYPE;
short.class = Short.TYPE;
int.class = Integer.TYPE;
long.class = Long.TYPE;
float.class = Float.TYPE;
double.class = Double.TYPE;
void.class = Void.TYPE;

前面提到过,使用字面常量的方式获取Class对象的引用不会触发类的初始化,这里我们可能需要简单了解一下类加载的过程,如下:

  • 加载:类加载过程的一个阶段:通过一个类的完全限定查找此类字节码文件,并利用字节码文件创建一个Class对象
  • 链接:验证字节码的安全性和完整性,准备阶段正式为静态域分配存储空间,注意此时只是分配静态成员变量的存储空间,不包含实例成员变量,如果必要的话,解析这个类创建的对其他类的所有引用。
  • 初始化:类加载最后阶段,若该类具有超类,则对其进行初始化,执行静态初始化器和静态初始化成员变量。

由此可知,我们获取字面常量的Class引用时,触发的应该是加载阶段,因为在这个阶段Class对象已创建完成,获取其引用并不困难,而无需触发类的最后阶段初始化。下面通过小例子来验证这个过程:

执行结果:

After creating Initable ref
47
Initializing Initable
258
Initializing Initable2
147
Initializing Initable3
After creating Initable3 ref
74

从输出结果来看,可以发现,通过字面常量获取方式获取Initable类的Class对象并没有触发Initable类的初始化,这点也验证了前面的分析,同时发现调用Initable.staticFinal变量时也没有触发初始化,这是因为staticFinal属于编译期静态常量,在编译阶段通过常量传播优化的方式将Initable类的常量staticFinal存储到了一个称为NotInitialization类的常量池中,在以后对Initable类常量staticFinal的引用实际都转化为对NotInitialization类对自身常量池的引用,所以在编译期后,对编译期常量的引用都将在NotInitialization类的常量池获取,这也就是引用编译期静态常量不会触发Initable类初始化的重要原因。但在之后调用了Initable.staticFinal2变量后就触发了Initable类的初始化,注意staticFinal2虽然被static和final修饰,但其值在编译期并不能确定,因此staticFinal2并不是编译期常量,使用该变量必须先初始化Initable类。Initable2和Initable3类中都是静态成员变量并非编译期常量,引用都会触发初始化。至于forName方法获取Class对象,肯定会触发初始化,这点在前面已分析过。到这几种获取Class对象的方式也都分析完,ok~,到此这里可以得出小结论:

  • 获取Class对象引用的方式3种,通过继承自Object类的getClass方法,Class类的静态方法forName以及字面常量的方式”.class”。
  • 其中实例类的getClass方法和Class类的静态方法forName都将会触发类的初始化阶段,而字面常量获取Class对象的方式则不会触发初始化。
  • 初始化是类加载的最后一个阶段,也就是说完成这个阶段后类也就加载到内存中(Class对象在加载阶段已被创建),此时可以对类进行各种必要的操作了(如new对象,调用静态成员等),注意在这个阶段,才真正开始执行类中定义的Java程序代码或者字节码。

关于类加载的初始化阶段,在虚拟机规范严格规定了有且只有5种场景必须对类进行初始化:

  • 使用new关键字实例化对象时、读取或者设置一个类的静态字段(不包含编译期常量)以及调用静态方法的时候,必须触发类加载的初始化过程(类加载过程最终阶段)。
  • 使用反射包(java.lang.reflect)的方法对类进行反射调用时,如果类还没有被初始化,则需先进行初始化,这点对反射很重要。
  • 当初始化一个类的时候,如果其父类还没进行初始化则需先触发其父类的初始化。
  • 当Java虚拟机启动时,用户需要指定一个要执行的主类(包含main方法的类),虚拟机会先初始化这个主类
  • 当使用JDK 1.7 的动态语言支持时,如果一个java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄,并且这个方法句柄对应类没有初始化时,必须触发其初始化(这点看不懂就算了,这是1.7的新增的动态语言支持,其关键特征是它的类型检查的主体过程是在运行期而不是编译期进行的,这是一个比较大点的话题,这里暂且打住)

理解泛化的Class对象引用

由于Class的引用总数指向某个类的Class对象,利用Class对象可以创建实例类,这也就足以说明Class对象的引用指向的对象确切的类型。在Java SE5引入泛型后,使用我们可以利用泛型来表示Class对象更具体的类型,即使在运行期间会被擦除,但编译期足以确保我们使用正确的对象类型。如下:

从代码可以看出,声明普通的Class对象,在编译器并不会检查Class对象的确切类型是否符合要求,如果存在错误只有在运行时才得以暴露出来。但是通过泛型声明指明类型的Class对象,编译器在编译期将对带泛型的类进行额外的类型检查,确保在编译期就能保证类型的正确性,实际上Integer.class就是一个Class<Integer>类的对象。面对下述语句,确实可能令人困惑,但该语句确实是无法编译通过的。

//编译无法通过
Class<Number> numberClass=Integer.class;

我们或许会想Integer不就是Number的子类吗?然而事实并非这般简单,毕竟Integer的Class对象并非Number的Class对象的子类,前面提到过,所有的Class对象都只来源于Class类,看来事实确实如此。当然我们可以利用通配符“?”来解决问题:

Class<?> intClass = int.class;
intClass = double.class;

这样的语句并没有什么问题,毕竟通配符指明所有类型都适用,那么为什么不直接使用Class还要使用Class<?>呢?这样做的好处是告诉编译器,我们是确实是采用任意类型的泛型,而非忘记使用泛型约束,因此Class<?>总是优于直接使用Class,至少前者在编译器检查时不会产生警告信息。当然我们还可以使用extends关键字告诉编译器接收某个类型的子类,如解决前面Number与Integer的问题:

//编译通过!
Class<? extends Number> clazz = Integer.class;
//赋予其他类型
clazz = double.class;
clazz = Number.class;

上述的代码是行得通的,extends关键字的作用是告诉编译器,只要是Number的子类都可以赋值。这点与前面直接使用Class<Number>是不一样的。实际上,应该时刻记住向Class引用添加泛型约束仅仅是为了提供编译期类型的检查从而避免将错误延续到运行时期。

关于类型转换的问题

在许多需要强制类型转换的场景,我们更多的做法是直接强制转换类型:

之所可以强制转换,这得归功于RRTI,要知道在Java中,所有类型转换都是在运行时进行正确性检查的,利用RRTI进行判断类型是否正确从而确保强制转换的完成,如果类型转换失败,将会抛出类型转换异常。除了强制转换外,在Java SE5中新增一种使用Class对象进行类型转换的方式,如下:

Animal animal= new Dog();
//这两句等同于Dog dog = (Dog) animal;
Class<Dog> dogType = Dog.class;
Dog dog = dogType.cast(animal)

利用Class对象的cast方法,其参数接收一个参数对象并将其转换为Class引用的类型。这种方式似乎比之前的强制转换更麻烦些,确实如此,而且当类型不能正确转换时,仍然会抛出ClassCastException异常。源码如下:

instanceof 关键字与isInstance方法

关于instanceof 关键字,它返回一个boolean类型的值,意在告诉我们对象是不是某个特定的类型实例。如下,在强制转换前利用instanceof检测obj是不是Animal类型的实例对象,如果返回true再进行类型转换,这样可以避免抛出类型转换的异常(ClassCastException)

而isInstance方法则是Class类中的一个Native方法,也是用于判断对象类型的,看个简单例子:

事实上instanceOf 与isInstance方法产生的结果是相同的。对于instanceOf是关键字只被用于对象引用变量,检查左边对象是不是右边类或接口的实例化。如果被测对象是null值,则测试结果总是false。一般形式:

//判断这个对象是不是这种类型
obj.instanceof(class)

而isInstance方法则是Class类的Native方法,其中obj是被测试的对象或者变量,如果obj是调用这个方法的class或接口的实例,则返回true。如果被检测的对象是null或者基本类型,那么返回值是false;一般形式如下:

//判断这个对象能不能被转化为这个类
class.inInstance(obj)

最后这里给出一个简单实例,验证isInstance方法与instanceof等价性:

执行结果:

Testing x of type class com.zejian.A
x instanceof A true
x instanceof B false //父类不一定是子类的某个类型
A.isInstance(x) true
B.isInstance(x) false
x.getClass() == A.class true
x.getClass() == B.class false
x.getClass().equals(A.class)) true
x.getClass().equals(B.class)) false
---------------------------------------------
Testing x of type class com.zejian.B
x instanceof A true
x instanceof B true
A.isInstance(x) true
B.isInstance(x) true
x.getClass() == A.class false
x.getClass() == B.class true
x.getClass().equals(A.class)) false
x.getClass().equals(B.class)) true

到此关于Class对象相关的知识点都分析完了,下面将结合Class对象的知识点分析反射技术。

理解反射技术

反射机制是在运行状态中,对于任意一个类,都能够知道这个类的所有属性和方法;对于任意一个对象,都能够调用它的任意一个方法和属性,这种动态获取的信息以及动态调用对象的方法的功能称为java语言的反射机制。一直以来反射技术都是Java中的闪亮点,这也是目前大部分框架(如Spring/Mybatis等)得以实现的支柱。在Java中,Class类与java.lang.reflect类库一起对反射技术进行了全力的支持。在反射包中,我们常用的类主要有Constructor类表示的是Class 对象所表示的类的构造方法,利用它可以在运行时动态创建对象、Field表示Class对象所表示的类的成员变量,通过它可以在运行时动态修改成员变量的属性值(包含private)、Method表示Class对象所表示的类的成员方法,通过它可以动态调用对象的方法(包含private),下面将对这几个重要类进行分别说明。

Constructor类及其用法

Constructor类存在于反射包(java.lang.reflect)中,反映的是Class 对象所表示的类的构造方法。获取Constructor对象是通过Class类中的方法获取的,Class类与Constructor相关的主要方法如下:

下面看一个简单例子来了解Constructor对象的使用:

运行结果:

User [age=20, name=Rollen]
--------------------------------------------
user1:User [age=22, name=xiaolong]
--------------------------------------------
user2:User [age=25, name=lidakang]
--------------------------------------------
构造函数[0]:private reflect.User(int,java.lang.String)
参数类型[0]:(int,java.lang.String)
构造函数[1]:public reflect.User(java.lang.String)
参数类型[1]:(java.lang.String)
构造函数[2]:public reflect.User()
参数类型[2]:()

关于Constructor类本身一些常用方法如下(仅部分,其他可查API),

代码演示如下:

其中关于Type类型这里简单说明一下,Type 是 Java 编程语言中所有类型的公共高级接口。它们包括原始类型、参数化类型、数组类型、类型变量和基本类型。getGenericParameterTypes 与 getParameterTypes 都是获取构成函数的参数类型,前者返回的是Type类型,后者返回的是Class类型,由于Type顶级接口,Class也实现了该接口,因此Class类是Type的子类,Type 表示的全部类型而每个Class对象表示一个具体类型的实例,如String.class仅代表String类型。由此看来Type与 Class 表示类型几乎是相同的,只不过 Type表示的范围比Class要广得多而已。当然Type还有其他子类,如:

  • TypeVariable:表示类型参数,可以有上界,比如:T extends Number
  • ParameterizedType:表示参数化的类型,有原始类型和具体的类型参数,比如:List<String>
  • WildcardType:表示通配符类型,比如:?, ? extends Number, ? super Integer

通过以上的分析,对于Constructor类已有比较清晰的理解,利用好Class类和Constructor类,我们可以在运行时动态创建任意对象,从而突破必须在编译期知道确切类型的障碍。

Field类及其用法

Field 提供有关类或接口的单个字段的信息,以及对它的动态访问权限。反射的字段可能是一个类(静态)字段或实例字段。同样的道理,我们可以通过Class类的提供的方法来获取代表字段信息的Field对象,Class类与Field对象相关方法如下:

下面的代码演示了上述方法的使用过程

上述方法需要注意的是,如果我们不期望获取其父类的字段,则需使用Class类的getDeclaredField/getDeclaredFields方法来获取字段即可,倘若需要连带获取到父类的字段,那么请使用Class类的getField/getFields,但是也只能获取到public修饰的的字段,无法获取父类的私有字段。下面将通过Field类本身的方法对指定类属性赋值,代码演示如下:

其中的set(Object obj, Object value)方法是Field类本身的方法,用于设置字段的值,而get(Object obj)则是获取字段的值,当然关于Field类还有其他常用的方法如下:

同样通过案例演示上述方法:

在通过getMethods方法获取Method对象时,会把父类的方法也获取到,如上的输出结果,把Object类的方法都打印出来了。而getDeclaredMethod/getDeclaredMethods方法都只能获取当前类的方法。我们在使用时根据情况选择即可。下面将演示通过Method对象调用指定类的方法:

在上述代码中调用方法,使用了Method类的invoke(Object obj,Object... args)第一个参数代表调用的对象,第二个参数传递的调用方法的参数。这样就完成了类方法的动态调用。

getReturnType方法/getGenericReturnType方法都是获取Method对象表示的方法的返回类型,只不过前者返回的Class类型后者返回的Type(前面已分析过),Type就是一个接口而已,在Java8中新增一个默认的方法实现,返回的就参数类型信息

而getParameterTypes/getGenericParameterTypes也是同样的道理,都是获取Method对象所表示的方法的参数类型,其他方法与前面的Field和Constructor是类似的。

反射包中的Array类

在Java的java.lang.reflect包中存在着一个可以动态操作数组的类,Array,它提供了动态创建和访问 Java 数组的方法。Array 允许在执行 get 或 set 操作进行取值和赋值。在Class类中与数组关联的方法是:

java.lang.reflect.Array中的常用静态方法如下:

下面通过一个简单例子来演示这些方法

通过上述代码演示,确实可以利用Array类和反射相结合动态创建数组,也可以在运行时动态获取和设置数组中元素的值,其实除了上的set/get外Array还专门为8种基本数据类型提供特有的方法,如setInt/getInt、setBoolean/getBoolean,其他依次类推,需要使用是可以查看API文档即可。除了上述动态修改数组长度或者动态创建数组或动态获取值或设置值外,可以利用泛型动态创建泛型数组如下:

毕竟我们无法直接创建泛型数组,有了Array的动态创建数组的方式这个问题也就迎刃而解了。

//无效语句,编译不通
T[] a = new T[];

ok,到这反射中几个重要并且常用的类我们都基本介绍完了,但更重要是,我们应该认识到反射机制并没有什么神奇之处。当通过反射与一个未知类型的对象打交道时,JVM只会简单地检查这个对象,判断该对象属于那种类型,同时也应该知道,在使用反射机制创建对象前,必须确保已加载了这个类的Class对象,当然这点完全不必由我们操作,毕竟只能JVM加载,但必须确保该类的”.class”文件已存在并且JVM能够正确找到。关于Class类的方法在前面我们只是分析了主要的一些方法,其实Class类的API方法挺多的,建议查看一下API文档,浏览一遍,有个印象也是不错的选择,这里仅列出前面没有介绍过又可能用到的API:

原文链接:http://blog.csdn.net/javazejian/article/details/70768369

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