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Java 反射：讓你更優雅的使用框架！

來源：責編：時間：2024-05-24 17:23:32 150觀看

導讀在 Java語言中，反射是一種強大而優秀的機制，通過反射，我們可以在運行時檢查和修改類、接口、字段和方法的信息，甚至動態地創建對象、調用方法和訪問私有成員。可以毫不夸張地說，沒有反射，很多優秀的框架不復存在，沒有這些優

在 Java語言中，反射是一種強大而優秀的機制，通過反射，我們可以在運行時檢查和修改類、接口、字段和方法的信息，甚至動態地創建對象、調用方法和訪問私有成員。

可以毫不夸張地說，沒有反射，很多優秀的框架不復存在，沒有這些優秀的框架（比如Spring），Java可能會遜色很多，因此，這篇文章，我們一起來深入探討Java反射以及其背后的原理。

一、什么是反射

先看看 Oracle官方對java反射的說明：

Reflection enables Java code to discover information about the fields, methods and constructors of loaded classes, and to use reflected fields, methods, and constructors to operate on their underlying counterparts, within security restrictions. The API accommodates applications that need access to either the public members of a target object (based on its runtime class) or the members declared by a given class. It also allows programs to suppress default reflective access control.

Java 的反射機制是指在運行狀態中，對于任意一個類都能夠知道這個類所有的屬性和方法；并且對于任意一個對象，都能夠調用它的任意一個方法；這種動態獲取信息以及動態調用對象方法的功能成為Java語言的反射機制。

它是通過 Java反射 API 來實現，其中最核心的類位于 java.lang.reflect 包下，如 Class、Constructor、Field 和 Method等，這些類提供了對類和對象的運行時信息進行檢查和操作的方法。如下圖，展示了 JDK源碼中 java.lang.reflect 包所有的類：

二、反射的原理

反射的原理主要可以從下面 4個點來闡述：

類加載：當 Java程序運行時，類加載器會根據類的名稱查找并加載類的字節碼文件，然后將字節碼文件轉換為可執行的 Java類，并將其存儲在運行時數據區域的方法區中。
創建 Class對象：在類加載過程中，Java虛擬機會自動創建對應的Class對象，Class對象包含了類的元數據信息，并提供了訪問和操作類的接口。
獲取 Class對象：Class對象通過多種方式獲取，最常見的方式有 3種: 類的 .class屬性、類實例的 getClass()方法、Class.forName()。
訪問和操作：通過Class對象獲取類的字段、方法、構造函數等信息,使用Field類和Method類來訪問和操作字段和方法，甚至可以調用私有的字段和方法。

通過上述的分析可以看出：反射機制需要基于Java虛擬機對類的加載、存儲和訪問機制的支持，通過反射，可以在運行時動態地探索和操作類的信息，實現靈活的編程和代碼的動態行為。

三、如何使用反射

在講解了 Java反射原理之后，我們通過一個真實的例子來展示如何使用 Java反射機制。如下示例 demo，通過反射給 Person 類中的 greet() 方法傳入一個 name，然后輸出：

過程分析：

首先，在示例代碼通過獲Person.class取了 Person的Class對象；
然后，使用clazz.getName()獲取了類的名稱，通過clazz.getModifiers()獲取了類的修飾符，并打印輸出；
接下來，通過clazz.getDeclaredMethods()獲取類的所有方法，并依次打印輸出方法的名稱；
接著，通過clazz.getDeclaredConstructor().newInstance()方法創建了 Person 的實例；
再接著，使用clazz.getDeclaredMethod()方法獲取了 greet()方法的引用。為了調用私有方法，我們需要調用setAccessible(true)來設置方法的可訪問性。
最后，使用Method.invoke()方法調用了 greet()方法，傳遞參數name = Java。

運行示例結果如下圖：

上述示例，我們通過詳細的步驟展示了如何使用反射獲取類的信息和動態調用方法。你也可以嘗試在 Person 中添加更多的方法和字段，并使用反射來獲取和操作它們。

四、部分源碼解讀

在上述示例講解時，最后是調用 Method.invoke() 實現 Person.greet()的調用，因此，這里我們主要分析 invoke()方案，官方源碼截圖：

從上面源碼截圖看出：Method.invoke() 方法，真實返回的是接口 MethodAccessor.invoke()方法。MethodAccessor 接口有三個實現類，具體是調用哪個類的 invoke 方法？

進入acquireMethodAccessor方法，可以看到MethodAccessor由ReflectionFactory 的 newMethodAccessor方法決定。

再進入 DelegatingMethodAccessorImpl 的 invoke方法：

DelegatingMethodAccessorImpl的invoke方法返回的是MethodAccessorImpl的invoke方法，而MethodAccessorImpl的invoke方法，由它的子類NativeMethodAccessorImpl重寫，這時候返回的是native invoke0，如下圖：

跟到源碼最后可以發現：Method.invoke()方法最終調用 native的invoke0()，應用層面的操作最終轉換成對操作系統 c/c++方法的調用。

五、反射優缺點

上面內容的講解已經側面反映出了Java反射的一些優點，這里再詳細的總結下反射的優缺點：

優點：

動態性：反射允許我們在運行時動態地獲取和操作類的信息，而不需要在編譯時確定。這為編寫靈活的、可擴展的代碼提供了便利。
靈活性：通過反射，我們可以繞過訪問修飾符的限制，訪問和修改私有成員、調用私有方法等。這為我們在特殊情況下進行一些高級操作提供了可能。
框架開發：反射在開發框架和庫時非常有用。通過反射，框架可以動態地加載和實例化類，解析注解，處理回調等。這為框架提供了更大的靈活性和可擴展性。
調試和探索：反射使得我們可以在運行時探索代碼背后的信息，例如獲取類的結構、方法、字段等。這對于調試和理解復雜的代碼非常有幫助。

缺點：

性能開銷：相比于直接調用代碼，使用反射會帶來更高的性能開銷。反射涉及到動態查找、方法調用等操作，這些操作比直接調用代碼更加耗時。因此，在對性能要求較高的場景下，過度使用反射可能導致性能下降。
安全性和穩定性：反射打破了封裝性和類型安全性，通過反射，我們可以繞過訪問修飾符的限制，調用私有方法等，這可能導致代碼的不穩定性和安全隱患。因此，使用反射時需要格外小心，確保代碼的正確性和穩定性。

從整體上看，Java反射是以犧牲了小部分的性能換取了更好的擴展性和靈活性，犧牲小我成就大我，而且，隨著現代硬件設備能力越來越強，這點小性能的犧牲是完全值得的。

六、為什么需要反射

反射機制在 Java中的作用不言而喻，下面列舉了反射機制的一些常見場景和原因：

運行時類型檢查：反射機制允許在運行時獲取類的信息，包括字段、方法和構造方法等。因此，在進行運行時類型檢查，以確保代碼在處理不同類型的對象時能夠正確地進行操作。
動態創建對象：通過反射，可以在運行時動態地創建對象，而不需要在編譯時知道具體的類名。這對于某些需要根據條件或配置來創建對象的情況非常有用，例如工廠模式或依賴注入框架。
訪問和修改私有成員：反射機制可以繞過訪問權限限制，訪問和修改類的私有字段和方法。雖然這破壞了封裝性原則，但在某些特定情況下，這種能力可以幫助我們進行一些特殊操作，例如單元測試、調試或框架的內部實現。
動態調用方法：反射機制允許我們在運行時動態地調用類的方法，甚至可以根據運行時的條件來選擇不同的方法。這對于實現插件化系統、處理回調函數或實現動態代理等功能非常有用。
框架和庫的實現：許多Java框架和庫在其實現中廣泛使用了反射機制。它們利用反射來自動發現和加載類、實現依賴注入、處理注解、配置文件解析和動態代理等。反射機制使得這些框架和庫更加靈活和擴展。

七、常用框架

很多優秀的框架內部都使用了Java反射，這里重點講解下給 Java打下半壁江山的 Spring生態（Spring Framework，Spring MVC，SpringBoot， SpringCloud...），以 Spring Framework為例：

依賴注入（Dependency Injection） : 依賴注入，可以把程序員主動創建對象的事情交給 Spring管理，大大提升了對象創建的靈活性。當我們在配置文件或用注解定義 Bean時，Spring會使用反射來動態地實例化對象，并將依賴的其他對象注入到這些實例中。
自動裝配（Autowired） : 當 Spring容器啟動時，它會掃描應用程序中的所有類，并使用反射來查找和識別帶有 @Autowired注解的字段、方法或構造函數。再自動將 Bean注入到需要的位置，實現對象之間的自動連接。
AOP（Aspect-Oriented Programming） : AOP 利用了動態代理和反射機制。通過定義切面（Aspect）和切點（Pointcut），Spring可以在運行時使用反射來創建代理對象，從而實現橫切關注點（cross-cutting concerns）的功能，如日志記錄、事務管理等。
動態代理（Dynamic Proxy） : Spring利用 Java反射機制動態地創建代理對象，并在代理對象中添加額外的邏輯，從而實現對目標對象的增強。
框架擴展和定制: Spring通過反射機制來實現對應用程序的擴展和定制的。例如，Spring提供了BeanPostProcessor接口，允許開發人員在 Bean初始化前后插入自定義邏輯，這是通過反射來實現的。

另外，還有一些耳熟能詳的框架也使用了Java反射：

JUnit：JUnit是一個優秀的單元測試框架，它利用了 Java反射機制動態地加載和執行測試方法。
Jackson：Jackson是一個 JSON處理的 Java庫，它利用反射來實現 JSON與 Java對象之間的轉換，動態讀取和寫入 Java對象的屬性，并將其轉換為 JSON格式。
Hibernate ORM：Hibernate和 MyBatis一樣，都是對象關系映射框架，通過反射來實現對象與數據庫表之間的映射關系。

八、總結

本文講解了Java反射的原理和使用方式，因為有了Java反射，很多優秀的框架應運而生，從而使得 Java 生態越來越完善，因此，反射是絕大多數框架的基石。

Java反射有優點也有缺點，從整體上看，Java反射是以犧牲了小部分的性能換取了更好的擴展性和靈活性，犧牲小我成就大我，而且，隨著現代硬件設備能力越來越強，這點小性能的犧牲是完全值得的。

掌握Java反射，我們可以更好的理解一些優秀框架的運行機制，比如：Spring。它可以幫助我們更好的使用框架，遇到問題時也能更好的去分析和解決。

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