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候捷谈Java反射机制

JavaC#C++CJ# 
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Java反射机制
 
摘要
Reflection 是Java被视为动态（或准动态）语言的一个关键性质。这个机制允许程序在运行时透过Reflection APIs取得任何一个已知名称的class的内部信息，包括其modifiers（诸如public, static 等等）、superclass（例如Object）、实现之interfaces（例如Cloneable），也包括fields和methods的所有信息，并可于运行时改变fields内容或唤起methods。本文借由实例，大面积示范Reflection APIs。
 
关于本文：
读者基础：具备Java 语言基础。
本文适用工具：JDK1.5
 
关键词：
Introspection（内省、内观）
Reflection（反射）
 
 
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 ("[I");
运用
.class 语法
Class c1 = String.class;
Class c2 = java.awt.Button.class;
Class c3 = Main.InnerClass.class;
Class c4 = int.class;
Class c5 = int[].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）。
 
Java classes 各成份所对应的Reflection APIs
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[i].getType().getName(), classRef);
#004
#005 cn = c.getDeclaredConstructors();
#006 for (int i = 0; i < cn.length; i++) {
#007    Class cx[] = cn[i].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[i].getReturnType().getName(), classRef);
#015    Class cx[] = mm[i].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[i].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[i].getModifiers();
#005    System.out.print(" " + Modifier.toString(md) + " " +
#006    cn[i].getName());
#007    Class cx[] = cn[i].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[i].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[i].getModifiers();
#005    System.out.print(" "+Modifier.toString(md)+" "+
#006    tName(mm[i].getReturnType().getName(), null)+" "+
#007    mm[i].getName());
#008    Class cx[] = mm[i].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[i].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[i].getModifiers();
#005    System.out.println(" "+Modifier.toString(md)+" "+
#006    tName(ff[i].getType().getName(), null) +" "+
#007    ff[i].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[i].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
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