候捷谈Java反射机制

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Java JVM 编程 Python Ruby

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。<o:p></o:p>

<o:p> </o:p>

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。<o:p></o:p>

<o:p> </o:p>

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。<o:p></o:p>

<o:p> </o:p>

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。<o:p></o:p>

<o:p> </o:p>

“Class”class<o:p></o:p>

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。<o:p></o:p>

<o:p> </o:p>

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。<o:p></o:p>

<o:p> </o:p>

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。<o:p></o:p>

<o:p> </o:p>

#001 public final<o:p></o:p>

#002 class Class<T> implements java.io.Serializable,<o:p></o:p>

#003 java.lang.reflect.GenericDeclaration,<o:p></o:p>

#004 java.lang.reflect.Type,<o:p></o:p>

#005 java.lang.reflect.AnnotatedElement {<o:p></o:p>

#006 private Class() {}<o:p></o:p>

#007 public String toString() {<o:p></o:p>

#008 return ( isInterface() ? "interface " :<o:p></o:p>

#009 (isPrimitive() ? "" : "class "))<o:p></o:p>

#010 + getName();<o:p></o:p>

#011 }<o:p></o:p>

...<o:p></o:p>

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。<o:p></o:p>

<o:p> </o:p>

“Class” object的取得途径<o:p></o:p>

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。<o:p></o:p>

Class object 诞生管道<o:p></o:p>

示例<o:p></o:p>

运用getClass()<o:p></o:p>

注：每个class 都有此函数<o:p></o:p>

String str = "abc";<o:p></o:p>

Class c1 = str.getClass();<o:p></o:p>

运用<o:p></o:p>

Class.getSuperclass()²<o:p></o:p>

Button b = new Button();<o:p></o:p>

Class c1 = b.getClass();<o:p></o:p>

Class c2 = c1.getSuperclass();<o:p></o:p>

运用static method<o:p></o:p>

Class.forName()<o:p></o:p>

（最常被使用）<o:p></o:p>

Class c1 = Class.forName ("java.lang.String");<o:p></o:p>

Class c2 = Class.forName ("java.awt.Button");<o:p></o:p>

Class c3 = Class.forName ("java.util.LinkedList$Entry");<o:p></o:p>

Class c4 = Class.forName ("I");<o:p></o:p>

Class c5 = Class.forName ("[I");<o:p></o:p>

运用<o:p></o:p>

.class 语法<o:p></o:p>

Class c1 = String.class;<o:p></o:p>

Class c2 = java.awt.Button.class;<o:p></o:p>

Class c3 = Main.InnerClass.class;<o:p></o:p>

Class c4 = int.class;<o:p></o:p>

Class c5 = int[].class;<o:p></o:p>

运用<o:p></o:p>

primitive wrapper classes<o:p></o:p>

的TYPE 语法<o:p></o:p>

<o:p> </o:p>

Class c1 = Boolean.TYPE;<o:p></o:p>

Class c2 = Byte.TYPE;<o:p></o:p>

Class c3 = Character.TYPE;<o:p></o:p>

Class c4 = Short.TYPE;<o:p></o:p>

Class c5 = Integer.TYPE;<o:p></o:p>

Class c6 = Long.TYPE;<o:p></o:p>

Class c7 = Float.TYPE;<o:p></o:p>

Class c8 = Double.TYPE;<o:p></o:p>

Class c9 = Void.TYPE;<o:p></o:p>

图2：Java 允许多种管道生成Class object。<o:p></o:p>

<o:p> </o:p>

Java classes 组成分析<o:p></o:p>

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。<o:p></o:p>

<o:p> </o:p>

package java.util; //(1)<o:p></o:p>

import java.lang.*; //(2)<o:p></o:p>

public class LinkedList<E> //(3)(4)(5)<o:p></o:p>

extends AbstractSequentialList<E> //(6)<o:p></o:p>

implements List<E>, Queue<E>,<o:p></o:p>

Cloneable, java.io.Serializable //(7)<o:p></o:p>

{<o:p></o:p>

private static class Entry<E> { … }//(8)<o:p></o:p>

public LinkedList() { … } //(9)<o:p></o:p>

public LinkedList(Collection<? extends E> c) { … }<o:p></o:p>

public E getFirst() { … } //(10)<o:p></o:p>

public E getLast() { … }<o:p></o:p>

private transient Entry<E> header = …; //(11)<o:p></o:p>

private transient int size = 0;<o:p></o:p>

}<o:p></o:p>

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）。<o:p></o:p>

<o:p> </o:p>

Java classes 各成份所对应的Reflection APIs<o:p></o:p>

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。<o:p></o:p>

Java class 内部模块（参见图3）<o:p></o:p>	Java class 内部模块说明<o:p></o:p>	相应之Reflection API，多半为Class methods。<o:p></o:p>	返回值类型(return type)<o:p></o:p>
(1) package<o:p></o:p>	class隶属哪个package<o:p></o:p>	getPackage()<o:p></o:p>	Package<o:p></o:p>
(2) import<o:p></o:p>	class导入哪些classes<o:p></o:p>