JAVA反射机制

JAVA反射机制

概述
　　有时候我们说某个语言具有很强的动态性，有时候我们会区分动态和静态的不同技术与作法。我们朗朗上口动态绑定（dynamic binding）、动态链接（dynamic linking）、动态加载（dynamic loading）等。然而“动态”一词其实没有绝对而普遍适用的严格定义，有时候甚至像对象导向当初被导入编程领域一样，一人一把号，各吹各的调。
　　一般而言，开发者社群说到动态语言，大致认同的一个定义是：“程序运行时，允许改变程序结构或变量类型，这种语言称为动态语言”。从这个观点看，Perl，Python，Ruby是动态语言，C++，Java，C#不是动态语言。
　　尽管在这样的定义与分类下Java不是动态语言，它却有着一个非常突出的动态相关机制：Reflection。这个字的意思是“反射、映象、倒影”，用在Java身上指的是我们可以于运行时加载、探知、使用编译期间完全未知的classes。换句话说，Java程序可以加载一个运行时才得知名称的class，获悉其完整构造（但不包括methods定义），并生成其对象实体、或对其fields设值、或唤起其methods1。这种“看透class”的能力（the ability of the program to examine itself）被称为introspection（内省、内观、反省）。Reflection和introspection是常被并提的两个术语。
　　Java如何能够做出上述的动态特性呢？这是一个深远话题，本文对此只简单介绍一些概念。整个篇幅最主要还是介绍Reflection APIs，也就是让读者知道如何探索class的结构、如何对某个“运行时才获知名称的class”生成一份实体、为其fields设值、调用其methods。本文将谈到java.lang.Class，以及java.lang.reflect中的Method、Field、Constructor等等classes。
“Class”class
　　众所周知Java有个Object class，是所有Java classes的继承根源，其内声明了数个应该在所有Java class中被改写的methods：hashCode()、equals()、clone()、toString()、getClass()等。其中getClass()返回一个Class object。
　　Class class十分特殊。它和一般classes一样继承自Object，其实体用以表达Java程序运行时的classes和interfaces，也用来表达enum、array、primitive Java types（boolean, byte, char, short, int, long, float, double）以及关键词void。当一个class被加载，或当加载器（class loader）的defineClass()被JVM调用，JVM 便自动产生一个Class object。如果您想借由“修改Java标准库源码”来观察Class object的实际生成时机（例如在Class的constructor内添加一个println()），不能够！因为Class并没有public constructor（见图1）。本文最后我会拨一小块篇幅顺带谈谈Java标准库源码的改动办法。
　　Class是Reflection故事起源。针对任何您想探勘的class，唯有先为它产生一个Class object，接下来才能经由后者唤起为数十多个的Reflection APIs。这些APIs将在稍后的探险活动中一一亮相。
　　#001 public final
　　#002 class Class<T> implements java.io.Serializable,
　　#003 java.lang.reflect.GenericDeclaration,
　　#004 java.lang.reflect.Type,
　　#005 java.lang.reflect.AnnotatedElement {
　　#006 private Class() {}
　　#007 public String toString() {
　　#008 return ( isInterface() ? "interface " :
　　#009 (isPrimitive() ? "" : "class "))
　　#010 + getName();
　　#011 }
　　...
　　图1：Class class片段。注意它的private empty ctor，意指不允许任何人经由编程方式产生Class object。是的，其object 只能由JVM 产生。
“Class” object的取得途径
　　Java允许我们从多种管道为一个class生成对应的Class object。图2是一份整理。
　　Class object 诞生管道
　　示例
　　运用getClass()
　　注：每个class 都有此函数
　　String str = "abc";
　　Class c1 = str.getClass();
　　运用
　　Class.getSuperclass()2
　　Button b = new Button();
　　Class c1 = b.getClass();
　　Class c2 = c1.getSuperclass();
　　运用static method
　　Class.forName()
　　（最常被使用）
　　Class c1 = Class.forName ("java.lang.String");
　　Class c2 = Class.forName ("java.awt.Button");
　　Class c3 = Class.forName ("java.util.LinkedList$Entry");
　　Class c4 = Class.forName ("I");
　　Class c5 = Class.forName (".class;
　　运用
　　primitive wrapper classes
　　的TYPE 语法
　　Class c1 = Boolean.TYPE;
　　Class c2 = Byte.TYPE;
　　Class c3 = Character.TYPE;
　　Class c4 = Short.TYPE;
　　Class c5 = Integer.TYPE;
　　Class c6 = Long.TYPE;
　　Class c7 = Float.TYPE;
　　Class c8 = Double.TYPE;
　　Class c9 = Void.TYPE;
　　图2：Java 允许多种管道生成Class object。
　　Java classes 组成分析
　　首先容我以图3的java.util.LinkedList为例，将Java class的定义大卸八块，每一块分别对应图4所示的Reflection API。图5则是“获得class各区块信息”的程序示例及执行结果，它们都取自本文示例程序的对应片段。
　　package java.util; //(1)
　　import java.lang.*; //(2)
　　public class LinkedList<E> //(3)(4)(5)
　　extends AbstractSequentialList<E> //(6)
　　implements List<E>, Queue<E>,
　　Cloneable, java.io.Serializable //(7)
　　{
　　private static class Entry<E> { … }//(8)
　　public LinkedList() { … } //(9)
　　public LinkedList(Collection<? extends E> c) { … }
　　public E getFirst() { … } //(10)
　　public E getLast() { … }
　　private transient Entry<E> header = …; //(11)
　　private transient int size = 0;
　　}
　　图3：将一个Java class 大卸八块，每块相应于一个或一组Reflection APIs（图4）。
各成份所对应的API
　　图3的各个Java class成份，分别对应于图4的Reflection API，其中出现的Package、Method、Constructor、Field等等classes，都定义于java.lang.reflect。
　　Java class 内部模块（参见图3）
　　Java class 内部模块说明
　　相应之Reflection API，多半为Class methods。
　　返回值类型(return type)
　　(1) package
　　class隶属哪个package
　　getPackage()
　　Package
　　(2) import
　　class导入哪些classes
　　无直接对应之API。
　　解决办法见图5-2。
　　(3) modifier
　　class（或methods, fields）的属性
　　int getModifiers()
　　Modifier.toString(int)
　　Modifier.isInterface(int)
　　int
　　String
　　bool
　　(4) class name or interface name
　　class/interface
　　名称getName()
　　String
　　(5) type parameters
　　参数化类型的名称
　　getTypeParameters()
　　TypeVariable <Class>[]
　　(6) base class
　　base class（只可能一个）
　　getSuperClass()
　　Class
　　(7) implemented interfaces
　　实现有哪些interfaces
　　getInterfaces()
　　Class[]
　　(8) inner classes
　　内部classes
　　getDeclaredClasses()
　　Class[]
　　(8') outer class
　　如果我们观察的class 本身是inner classes，那么相对它就会有个outer class。
　　getDeclaringClass()
　　Class
　　(9) constructors
　　构造函数getDeclaredConstructors()
　　不论 public 或private 或其它access level，皆可获得。另有功能近似之取得函数。
　　Constructor[]
　　(10) methods
　　操作函数getDeclaredMethods()
　　不论 public 或private 或其它access level，皆可获得。另有功能近似之取得函数。
　　Method[]
　　(11) fields
　　字段（成员变量）
　　getDeclaredFields()不论 public 或private 或其它access level，皆可获得。另有功能近似之取得函数。
　　Field[]
　　图4：Java class大卸八块后（如图3），每一块所对应的Reflection API。本表并非
　　Reflection APIs 的全部。
　　Java Reflection API 运用示例
　　图5示范图4提过的每一个Reflection API，及其执行结果。程序中出现的tName()是个辅助函数，可将其第一自变量所代表的“Java class完整路径字符串”剥除路径部分，留下class名称，储存到第二自变量所代表的一个hashtable去并返回（如果第二自变量为null，就不储存而只是返回）。
　　#001 Class c = null;
　　#002 c = Class.forName(args[0]);
　　#003
　　#004 Package p;
　　#005 p = c.getPackage();
　　#006
　　#007 if (p != null)
　　#008 System.out.println("package "+p.getName()+";");
　　执行结果（例）：
　　package java.util;
　　图5-1：找出class 隶属的package。其中的c将继续沿用于以下各程序片段。
　　#001 ff = c.getDeclaredFields();
　　#002 for (int i = 0; i < ff.length; i++)
　　#003 x = tName(ff.getType().getName(), classRef);
　　#004
　　#005 cn = c.getDeclaredConstructors();
　　#006 for (int i = 0; i < cn.length; i++) {
　　#007 Class cx[] = cn.getParameterTypes();
　　#008 for (int j = 0; j < cx.length; j++)
　　#009 x = tName(cx[j].getName(), classRef);
　　#010 }
　　#011
　　#012 mm = c.getDeclaredMethods();
　　#013 for (int i = 0; i < mm.length; i++) {
　　#014 x = tName(mm.getReturnType().getName(), classRef);
　　#015 Class cx[] = mm.getParameterTypes();
　　#016 for (int j = 0; j < cx.length; j++)
　　#017 x = tName(cx[j].getName(), classRef);
　　#018 }
　　#019 classRef.remove(c.getName()); //不必记录自己（不需import 自己）
　　执行结果（例）：
　　import java.util.ListIterator;
　　import java.lang.Object;
　　import java.util.LinkedList$Entry;
　　import java.util.Collection;
　　import java.io.ObjectOutputStream;
　　import java.io.ObjectInputStream;
　　图5-2：找出导入的classes，动作细节详见内文说明。
　　#001 int mod = c.getModifiers();
　　#002 System.out.print(Modifier.toString(mod)); //整个modifier
　　#003
　　#004 if (Modifier.isInterface(mod))
　　#005 System.out.print(" "); //关键词 "interface" 已含于modifier
　　#006 else
　　#007 System.out.print(" class "); //关键词 "class"
　　#008 System.out.print(tName(c.getName(), null)); //class 名称
　　执行结果（例）：
　　public class LinkedList
　　图5-3：找出class或interface 的名称，及其属性（modifiers）。
　　#001 TypeVariable<Class>[] tv;
　　#002 tv = c.getTypeParameters(); //warning: unchecked conversion
　　#003 for (int i = 0; i < tv.length; i++) {
　　#004 x = tName(tv.getName(), null); //例如 E,K,V...
　　#005 if (i == 0) //第一个
　　#006 System.out.print("<" + x);
　　#007 else //非第一个
　　#008 System.out.print("," + x);
　　#009 if (i == tv.length-1) //最后一个
　　#010 System.out.println(">");
　　#011 }
　　执行结果（例）：
　　public abstract interface Map<K,V>
　　或 public class LinkedList<E>
　　图5-4：找出parameterized types 的名称
　　#001 Class supClass;
　　#002 supClass = c.getSuperclass();
　　#003 if (supClass != null) //如果有super class
　　#004 System.out.print(" extends" +
　　#005 tName(supClass.getName(),classRef));
　　执行结果（例）：
　　public class LinkedList<E>
　　extends AbstractSequentialList,
　　图5-5：找出base class。执行结果多出一个不该有的逗号于尾端。此非本处重点，为简化计，不多做处理。
　　#001 Class cc[];
　　#002 Class ctmp;
　　#003 //找出所有被实现的interfaces
　　#004 cc = c.getInterfaces();
　　#005 if (cc.length != 0)
　　#006 System.out.print(", /r/n" + " implements "); //关键词
　　#007 for (Class cite : cc) //JDK1.5 新式循环写法
　　#008 System.out.print(tName(cite.getName(), null)+", ");
　　执行结果（例）：
　　public class LinkedList<E>
　　extends AbstractSequentialList,
　　implements List, Queue, Cloneable, Serializable,
　　图5-6：找出implemented interfaces。执行结果多出一个不该有的逗号于尾端。此非本处重点，为简化计，不多做处理。
　　#001 cc = c.getDeclaredClasses(); //找出inner classes
　　#002 for (Class cite : cc)
　　#003 System.out.println(tName(cite.getName(), null));
　　#004
　　#005 ctmp = c.getDeclaringClass(); //找出outer classes
　　#006 if (ctmp != null)
　　#007 System.out.println(ctmp.getName());
　　执行结果（例）：
　　LinkedList$Entry
　　LinkedList$ListItr
　　图5-7：找出inner classes 和outer class
　　#001 Constructor cn[];
　　#002 cn = c.getDeclaredConstructors();
　　#003 for (int i = 0; i < cn.length; i++) {
　　#004 int md = cn.getModifiers();
　　#005 System.out.print(" " + Modifier.toString(md) + " " +
　　#006 cn.getName());
　　#007 Class cx[] = cn.getParameterTypes();
　　#008 System.out.print("(");
　　#009 for (int j = 0; j < cx.length; j++) {
　　#010 System.out.print(tName(cx[j].getName(), null));
　　#011 if (j < (cx.length - 1)) System.out.print(", ");
　　#012 }
　　#013 System.out.print(")");
　　#014 }
　　执行结果（例）：
　　public java.util.LinkedList(Collection)
　　public java.util.LinkedList()
　　图5-8a：找出所有constructors
　　#004 System.out.println(cn.toGenericString());
　　执行结果（例）：
　　public java.util.LinkedList(java.util.Collection<? extends E>)
　　public java.util.LinkedList()
　　图5-8b：找出所有constructors。本例在for 循环内使用toGenericString()，省事。
　　#001 Method mm[];
　　#002 mm = c.getDeclaredMethods();
　　#003 for (int i = 0; i < mm.length; i++) {
　　#004 int md = mm.getModifiers();
　　#005 System.out.print(" "+Modifier.toString(md)+" "+
　　#006 tName(mm.getReturnType().getName(), null)+" "+
　　#007 mm.getName());
　　#008 Class cx[] = mm.getParameterTypes();
　　#009 System.out.print("(");
　　#010 for (int j = 0; j < cx.length; j++) {
　　#011 System.out.print(tName(cx[j].getName(), null));
　　#012 if (j < (cx.length - 1)) System.out.print(", ");
　　#013 }
　　#014 System.out.print(")");
　　#015 }
　　执行结果（例）：
　　public Object get(int)
　　public int size()
　　图5-9a：找出所有methods
　　#004 System.out.println(mm.toGenericString());
　　public E java.util.LinkedList.get(int)
　　public int java.util.LinkedList.size()
　　图5-9b：找出所有methods。本例在for 循环内使用toGenericString()，省事。
　　#001 Field ff[];
　　#002 ff = c.getDeclaredFields();
　　#003 for (int i = 0; i < ff.length; i++) {
　　#004 int md = ff.getModifiers();
　　#005 System.out.println(" "+Modifier.toString(md)+" "+
　　#006 tName(ff.getType().getName(), null) +" "+
　　#007 ff.getName()+";");
　　#008 }
　　执行结果（例）：
　　private transient LinkedList$Entry header;
　　private transient int size;
　　图5-10a：找出所有fields
　　#004 System.out.println("G: " + ff.toGenericString());
　　private transient java.util.LinkedList.java.util.LinkedList$Entry<E> ??
　　java.util.LinkedList.header
　　private transient int java.util.LinkedList.size
　　图5-10b：找出所有fields。本例在for 循环内使用toGenericString()，省事。
　　找出class参用（导入）的所有classes
　　没有直接可用的Reflection API可以为我们找出某个class参用的所有其它classes。要获得这项信息，必须做苦工，一步一脚印逐一记录。我们必须观察所有fields的类型、所有methods（包括constructors）的参数类型和回返类型，剔除重复，留下唯一。这正是为什么图5-2程序代码要为tName()指定一个hashtable（而非一个null）做为第二自变量的缘故：hashtable可为我们储存元素（本例为字符串），又保证不重复。
　　本文讨论至此，几乎可以还原一个class的原貌（唯有methods 和ctors的定义无法取得）。接下来讨论Reflection 的另三个动态性质：(1) 运行时生成instances，(2) 执
　　行期唤起methods，(3) 运行时改动fields。
　　运行时生成instances
　　欲生成对象实体，在Reflection 动态机制中有两种作法，一个针对“无自变量ctor”，
　　一个针对“带参数ctor”。图6是面对“无自变量ctor”的例子。如果欲调用的是“带参数ctor“就比较麻烦些，图7是个例子，其中不再调用Class的newInstance()，而是调用Constructor 的newInstance()。图7首先准备一个Class[]做为ctor的参数类型（本例指定为一个double和一个int），然后以此为自变量调用getConstructor()，获得一个专属ctor。接下来再准备一个Object[] 做为ctor实参值（本例指定3.14159和125），调用上述专属ctor的newInstance()。
　　#001 Class c = Class.forName("DynTest");
　　#002 Object obj = null;
　　#003 obj = c.newInstance(); //不带自变量
　　#004 System.out.println(obj);
　　图6：动态生成“Class object 所对应之class”的对象实体；无自变量。
　　#001 Class c = Class.forName("DynTest");
　　#002 Class[] pTypes = new Class[] { double.class, int.class };
　　#003 Constructor ctor = c.getConstructor(pTypes);
　　#004 //指定parameter list，便可获得特定之ctor
　　#005
　　#006 Object obj = null;
　　#007 Object[] arg = new Object[] {3.14159, 125}; //自变量
　　#008 obj = ctor.newInstance(arg);
　　#009 System.out.println(obj);
　　图7：动态生成“Class object 对应之class”的对象实体；自变量以Object[]表示。
　　运行时调用methods
　　这个动作和上述调用“带参数之ctor”相当类似。首先准备一个Class[]做为ctor的参数类型（本例指定其中一个是String，另一个是Hashtable），然后以此为自变量调用getMethod()，获得特定的Method object。接下来准备一个Object[]放置自变量，然后调用上述所得之特定Method object的invoke()，如图8。知道为什么索取Method object时不需指定回返类型吗？因为method overloading机制要求signature（署名式）必须唯一，而回返类型并非signature的一个成份。换句话说，只要指定了method名称和参数列，就一定指出了一个独一无二的method。
　　#001 public String func(String s, Hashtable ht)
　　#002 {
　　#003 …System.out.println("func invoked"); return s;
　　#004 }
　　#005 public static void main(String args[])
　　#006 {
　　#007 Class c = Class.forName("Test");
　　#008 Class ptypes[] = new Class[2];
　　#009 ptypes[0] = Class.forName("java.lang.String");
　　#010 ptypes[1] = Class.forName("java.util.Hashtable");
　　#011 Method m = c.getMethod("func",ptypes);
　　#012 Test obj = new Test();
　　#013 Object args[] = new Object[2];
　　#014 arg[0] = new String("Hello,world");
　　#015 arg[1] = null;
　　#016 Object r = m.invoke(obj, arg);
　　#017 Integer rval = (String)r;
　　#018 System.out.println(rval);
　　#019 }
　　图8：动态唤起method
　　运行时变更fields内容
　　与先前两个动作相比，“变更field内容”轻松多了，因为它不需要参数和自变量。首先调用Class的getField()并指定field名称。获得特定的Field object之后便可直接调用Field的get()和set()，如图9。
　　#001 public class Test {
　　#002 public double d;
　　#003
　　#004 public static void main(String args[])
　　#005 {
　　#006 Class c = Class.forName("Test");
　　#007 Field f = c.getField("d"); //指定field 名称
　　#008 Test obj = new Test();
　　#009 System.out.println("d= " + (Double)f.get(obj));
　　#010 f.set(obj, 12.34);
　　#011 System.out.println("d= " + obj.d);
　　#012 }
　　#013 }
　　图9：动态变更field 内容
Java 源码改动办法
　　先前我曾提到，原本想借由“改动Java标准库源码”来测知Class object的生成，但由于其ctor原始设计为private，也就是说不可能透过这个管道生成Class object（而是由class loader负责生成），因此“在ctor中打印出某种信息”的企图也就失去了意义。
　　这里我要谈点题外话：如何修改Java标准库源码并让它反应到我们的应用程序来。假设我想修改java.lang.Class，让它在某些情况下打印某种信息。首先必须找出标准源码！当你下载JDK 套件并安装妥当，你会发现jdk150/src/java/lang 目录（见图10）之中有Class.java，这就是我们此次行动的标准源码。备份后加以修改，编译获得Class.class。接下来准备将.class 搬移到jdk150/jre/lib/endorsed（见图10）。
　　这是一个十分特别的目录，class loader将优先从该处读取内含classes的.jar文件——成功的条件是.jar内的classes压缩路径必须和Java标准库的路径完全相同。为此，我们可以将刚才做出的Class.class先搬到一个为此目的而刻意做出来的/java/lang目录中，压缩为foo.zip（任意命名，唯需夹带路径java/lang），再将这个foo.zip搬到jdk150/jre/lib/endorsed并改名为foo.jar。此后你的应用程序便会优先用上这里的java.lang.Class。整个过程可写成一个批处理文件（batch file），如图11，在DOS Box中使用。
　　图10：JDK1.5 安装后的目录组织。其中的endorsed 是我新建。
　　del e:/java/lang/*.class //清理干净
　　del c:/jdk150/jre/lib/endorsed/foo.jar //清理干净
　　c:
　　cd c:/jdk150/src/java/lang
　　javac -Xlint:unchecked Class.java //编译源码
　　javac -Xlint:unchecked ClassLoader.java //编译另一个源码（如有必要）
　　move *.class e:/java/lang //搬移至刻意制造的目录中
　　e:
　　cd e:/java/lang //以下压缩至适当目录
　　pkzipc -add -path=root c:/jdk150/jre/lib/endorsed/foo.jar *.class
　　cd e:/test //进入测试目录
　　javac -Xlint:unchecked Test.java //编译测试程序
　　java Test //执行测试程序
　　图11：一个可在DOS Box中使用的批处理文件（batch file），用以自动化java.lang.Class
　　的修改动作。Pkzipc(.exe)是个命令列压缩工具，add和path都是其命令。
更多信息
　　以下是视野所及与本文主题相关的更多讨论。这些信息可以弥补因文章篇幅限制而带来的不足，或带给您更多视野。
　　l "Take an in-depth look at the Java Reflection API -- Learn about the new Java 1.1 tools forfinding out information about classes", by Chuck McManis。此篇文章所附程序代码是本文示例程序的主要依据（本文示例程序示范了更多Reflection APIs，并采用JDK1.5 新式的for-loop 写法）。
　　l "Take a look inside Java classes -- Learn to deduce properties of a Java class from inside aJava program", by Chuck McManis。
　　l "The basics of Java class loaders -- The fundamentals of this key component of the Javaarchitecture", by Chuck McManis。
　　l 《The Java Tutorial Continued》, Sun microsystems. Lesson58-61, "Reflection".
　　注1用过诸如MFC这类所谓 Application Framework的程序员也许知道，MFC有所谓的dynamic creation。但它并不等同于Java的动态加载或动态辨识；所有能够在MFC程序中起作用的classes，都必须先在编译期被编译器“看见”。
　　注2如果操作对象是Object，Class.getSuperClass()会返回null。