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 methods ¹ 。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 。