Java 的反射机制详解
Java 的反射机制是使其具有动态特性的非常关键的一种机制，也是在JavaBean 中广泛应用的一种特性。运用JavaBean的最常见的问题是：根据指定的类名，类字段名和所对应的数据，得到该类的实例.
Reflection 是 Java 程序开发语言的特征之一，它允许运行中的 Java程序对自身进行检查，或者说"自审"，并能直接操作程序的内部属性。例如，使用它能获得 Java 类中各成员的名称并显示出来。
Java 的这一能力在实际应用中也许用得不是很多，但是在其它的程序设计语言中根本就不存在这一特性。例如，Pascal、C 或者 C++中就没有办法在程序中获得函数定义相关的信息。
JavaBean 是 reflection 的实际应用之一，它能让一些工具可视化的操作软件组件。这些工具通过 reflection 动态的载入并取得Java 组件(类) 的属性。
1. 一个简单的例子
考虑下面这个简单的例子，让我们看看 reflection 是如何工作的。
import java.lang.reflect.*;
public class DumpMethods {
public staticvoid main(String args[]) {
try {
Class c =Class.forName(args);
Method m[] =c.getDeclaredMethods();
for (int i = 0;i<m.length;i++){
System.out.println(m.toString());
}
} catch (Throwable e) {
System.err.println(e);
}
}
}
按如下语句执行：
java DumpMethods java.util.Stack
它的结果输出为：
public java.lang.Object java.util.Stack.push(java.lang.Object)
public synchronized java.lang.Object java.util.Stack.pop()
public synchronized java.lang.Object java.util.Stack.peek()
public boolean java.util.Stack.empty()
public synchronized int java.util.Stack.search(java.lang.Object)
这样就列出了java.util.Stack 类的各方法名以及它们的限制符和返回类型。
这个程序使用 Class.forName 载入指定的类，然后调用 getDeclaredMethods来获取这个类中定义了的方法列表。java.lang.reflect.Methods 是用来描述某个类中单个方法的一个类。
2.开始使用 Reflection
用于 reflection 的类，如 Method，可以在 java.lang.relfect包中找到。使用这些类的时候必须要遵循三个步骤：第一步是获得你想操作的类的 java.lang.Class 对象。在运行中的 Java 程序中，用java.lang.Class 类来描述类和接口等。
下面就是获得一个 Class 对象的方法之一：
Class c = Class.forName("java.lang.String");
这条语句得到一个 String 类的类对象。还有另一种方法，如下面的语句：
Class c = int.class;
或者
Class c = Integer.TYPE;
它们可获得基本类型的类信息。其中后一种方法中访问的是基本类型的封装类 (如 Integer) 中预先定义好的 TYPE 字段。
第二步是调用诸如 getDeclaredMethods 的方法，以取得该类中定义的所有方法的列表。
一旦取得这个信息，就可以进行第三步了——使用 reflection API 来操作这些信息，如下面这段代码：
Class c = Class.forName("java.lang.String");
Method m[] = c.getDeclaredMethods();
System.out.println(m.toString());
它将以文本方式打印出 String 中定义的第一个方法的原型。
在下面的例子中，这三个步骤将为使用 reflection 处理特殊应用程序提供例证。
模拟 instanceof 操作符
得到类信息之后，通常下一个步骤就是解决关于 Class 对象的一些基本的问题。例如，Class.isInstance 方法可以用于模拟instanceof 操作符：
class A {
}
public class instance1 {
public static void main(String args[]){
try {
Class cls = Class.forName("A");
boolean b1 = cls.isInstance(new Integer(37));
System.out.println(b1);
boolean b2 = cls.isInstance(newA());
System.out.println(b2);
} catch (Throwable e){
System.err.println(e);
}
}
}
在这个例子中创建了一个 A 类的 Class 对象，然后检查一些对象是否是 A 的实例。Integer(37) 不是，但 new A() 是。
3.找出类的方法
找出一个类中定义了些什么方法，这是一个非常有价值也非常基础的 reflection 用法。下面的代码就实现了这一用法：
import java.lang.reflect.*;
public class Method1 {
private int f1(Object p, int x) throwsNullPointerException {
if (p == null)
throw newNullPointerException();
return x;
}
public static void main(String args[]) {
try {
Class cls = Class.forName("Method1″);
Method methlist[] =cls.getDeclaredMethods();
for (int i = 0;i<methlist.length;i++){
Method m = methlist;
System.out.println("name = " + m.getName());
System.out.println("decl class = " + m.getDeclaringClass());
Class pvec[] = m.getParameterTypes();
for (int j = 0;j<pvec.length;j++){
System.out.println("param #" + j + " " + pvec);
}
Class evec[] = m.getExceptionTypes();
for(int j = 0; j <evec.length;i++){
System.out.println("exc #" + j +":" + evec);
System.out.println("return type = " +m.getReturnType());
};
System.out.println("—–");
}
}
} catch(Throwable e) {
System.err.println(e);
}
}
}
这个程序首先取得 method1 类的描述，然后调用 getDeclaredMethods 来获取一系列的 Method对象，它们分别描述了定义在类中的每一个方法，包括 public 方法、protected 方法、package 方法和 private方法等。如果你在程序中使用 getMethods 来代替 getDeclaredMethods，你还能获得继承来的各个方法的信息。
取得了 Method对象列表之后，要显示这些方法的参数类型、异常类型和返回值类型等就不难了。这些类型是基本类型还是类类型，都可以由描述类的对象按顺序给出。
输出的结果如下：
name = f1
decl class = class Method1
param #0 class java.lang.Object
param #1 int
exc #0 class java.lang.NullPointerException
return type = int
—–
name = main
decl class = class Method1
param #0 class [Ljava.lang.String;
return type = void
—–
4.获取构造器信息
获取类构造器的用法与上述获取方法的用法类似，如：
import java.lang.reflect.*;
public class Constructor1 {
public Constructor1() {
}
protected constructor1(int i, double d) {
}
public static void main(String args[]) {
try {
Class cls = Class.forName("Constructor1″);
Constructor ctorlist[]= cls.getDeclaredConstructors();
for (int i = 0;i<ctorlist.length;i++){
Constructor ct =ctorlist;
System.out.println("name = " +ct.getName());
System.out.println("decl class = " +ct.getDeclaringClass());
Class pvec[] =ct.getParameterTypes();
for (int j = 0;j.pvec.length;j++){
System.out.println("param #" + j + " " +pvec);
}
Class evec[] =ct.getExceptionTypes();
for (int j = 0;j<evec.lenght;j++){
System.out.println("exc #"+ j + " " + evec);
}
System.out.println("—–");
}
} catch (Throwable e){
System.err.println(e);
}
}
}
这个例子中没能获得返回类型的相关信息，那是因为构造器没有返回类型。
这个程序运行的结果是：
name = Constructor1
decl class = class Constructor1
—–
name = Constructor1
decl class = class Constructor1
param #0 int
param #1 double
—–
5.获取类的字段(域)
找出一个类中定义了哪些数据字段也是可能的，下面的代码就在干这个事情：
import java.lang.reflect.*;
public class Field1 {
private double d;
public static final int i= 37;
String s = "testing";
public static void main(String args[]) {
try {
Class cls = Class.forName("Field1");
Field fieldlist[] =cls.getDeclaredFields();
for (int i = 0;i<fieldlist.length;i++){
Field fld = fieldlist;
System.out.println("name = " + fld.getName());
System.out.println("decl class = " + fld.getDeclaringClass());
System.out.println("type = " + fld.getType());
int mod =fld.getModifiers();
System.out.println("modifiers = " +Modifier.toString(mod));
System.out.println("—–");
}
} catch (Throwable e){
System.err.println(e);
}
}
}
这个例子和前面那个例子非常相似。例中使用了一个新东西 Modifier，它也是一个 reflection 类，用来描述字段成员的修饰语，如"privateint"。这些修饰语自身由整数描述，而且使用 Modifier.toString 来返回以"官方"顺序排列的字符串描述(如"static"在"final"之前)。这个程序的输出是：
name = d
decl class = class Field1
type = double
modifiers = private
—–
name = i
decl class = class Field1
type = int
modifiers = public static final
—–
name = s
decl class = class field1
type = class java.lang.String
modifiers =
—–
和获取方法的情况一下，获取字段的时候也可以只取得在当前类中申明了的字段信息 (getDeclaredFields)，或者也可以取得父类中定义的字段(getFields) 。
6.根据方法的名称来执行方法
文本到这里，所举的例子无一例外都与如何获取类的信息有关。我们也可以用 reflection来做一些其它的事情，比如执行一个指定了名称的方法。下面的示例演示了这一操作：
import java.lang.reflect.*;
public class Method2 {
public intadd(int a, int b) {
return a + b;
}
public static voidmain(String args[]) {
try {
Class cls =Class.forName("Method2");
Class partypes[] = newClass;
partypes = Integer.TYPE;
partypes =Integer.TYPE;
Method meth = cls.getMethod("add",partypes);
method2 methobj = new method2();
Objectarglist[] = new Object;
arglist = newInteger(37);
arglist = new Integer(47);
Objectretobj = meth.invoke(methobj, arglist);
Integer retval = (Integer)retobj;
System.out.println(retval.intvalue());
} catch(Throwable e) {
System.err.println(e);
}
}
}
假如一个程序在执行的某处的时候才知道需要执行某个方法，这个方法的名称是在程序的运行过程中指定的 (例如，JavaBean开发环境中就会做这样的事)，那么上面的程序演示了如何做到。
上例中，getMethod 用于查找一个具有两个整型参数且名为 add 的方法。找到该方法并创建了相应的 Method对象之后，在正确的对象实例中执行它。执行该方法的时候，需要提供一个参数列表，这在上例中是分别包装了整数 37 和 47 的两个 Integer对象。执行方法的返回的同样是一个 Integer 对象，它封装了返回值 84。
7.创建新的对象
对于构造器，则不能像执行方法那样进行，因为执行一个构造器就意味着创建了一个新的对象(准确的说，创建一个对象的过程包括分配内存和构造对象)。所以，与上例最相似的例子如下：
import java.lang.reflect.*;
public class Constructor2 {
public Constructor2() {
}
public Constructor2(int a, int b) {
System.out.println("a = " +a + " b = " + b);
}
public static void main(String args[]) {
try {
Class cls = Class.forName("Constructor2");
Class partypes[] = newClass;
partypes = Integer.TYPE;
partypes =Integer.TYPE;
Constructor ct =cls.getConstructor(partypes);
Object arglist[] = newObject;
arglist = new Integer(37);
arglist= new Integer(47);
Object retobj =ct.newInstance(arglist);
} catch (Throwable e) {
System.err.println(e);
}
}
}
根据指定的参数类型找到相应的构造函数并执行它，以创建一个新的对象实例。使用这种方法可以在程序运行时动态地创建对象，而不是在编译的时候创建对象，这一点非常有价值。
8.改变字段(域)的值
reflection 的还有一个用处就是改变对象数据字段的值。reflection可以从正在运行的程序中根据名称找到对象的字段并改变它，下面的例子可以说明这一点：
import java.lang.reflect.*;
public class Field2 {
public double d;
public static void main(String args[]) {
try {
Class cls = Class.forName("Field2");
Field fld =cls.getField("d");
field2 f2obj = new field2();
System.out.println("d = " + f2obj.d);
fld.setDouble(f2obj,12.34);
System.out.println("d = " + f2obj.d);
} catch(Throwable e) {
System.err.println(e);
}
}
}
这个例子中，字段 d 的值被变为了 12.34。
9.使用数组
本文介绍的 reflection 的最后一种用法是创建的操作数组。数组在 Java 语言中是一种特殊的类类型，一个数组的引用可以赋给 Object引用。观察下面的例子看看数组是怎么工作的：
import java.lang.reflect.*;
public class Array1 {
public static void main(String args[]){
try {
Class cls =Class.forName("java.lang.String");
Object arr =Array.newInstance(cls, 10);
Array.set(arr, 5, "this is atest");
String s = (String) Array.get(arr, 5);
System.out.println(s);
} catch (Throwable e) {
System.err.println(e);
}
}
}
例中创建了 10 个单位长度的 String 数组，为第 5 个位置的字符串赋了值，最后将这个字符串从数组中取得并打印了出来。
下面这段代码提供了一个更复杂的例子：
import java.lang.reflect.*;
public class Array2 {
public static void main(String args[]){
int dims[] = new int[]{5, 10, 15};
Object arr =Array.newInstance(Integer.TYPE, dims);
Object arrobj = Array.get(arr,3);
Class cls = arrobj.getClass().getComponentType();
System.out.println(cls);
arrobj = Array.get(arrobj, 5);
Array.setInt(arrobj, 10, 37);
int arrcast[][][] = (int[][][])arr;
System.out.println(arrcast);
}
}
例中创建了一个 5x 10 x 15 的整型数组，并为处于 的元素赋了值为 37。注意，多维数组实际上就是数组的数组，例如，第一个 Array.get之后，arrobj 是一个 10 x 15 的数组。进而取得其中的一个元素，即长度为 15 的数组，并使用 Array.setInt 为它的第 10个元素赋值。
注意创建数组时的类型是动态的，在编译时并不知道其类型。
Visitor模式的常用之处在于，它将对象集合的结构和对集合所执行的操作分离开来。例如，它可以将一个编译器中的分析逻辑和代码生成逻辑分离开来。有了这样的分离，想使用不同的代码生成器就会很容易。更大的好处还有，其它一些公用程序，如lint，可以在使用分析逻辑的同时免受代码生成逻辑之累。不幸的是，向集合中增加新的对象往往需要修改已经写好的Visitor类。本文提出了一种在Java中实现Visitor模式的更灵活的方法：使用Reflection(反射)。
集合(Collection)普遍应用于面向对象编程中，但它也经常引发一些和代码有关的疑问。例如，"如果一个集合存在不同的对象，该如何对它执行操作？"
一种方法是，对集合中的每个元素进行迭代，然后基于所在的类，对每个元素分别执行对应的操作。这会很难办，特别是，如果你不知道集合中有什么类型的对象。例如，假设想打印集合中的元素，你可以写出如下的一个方法(method)：
public void messyPrintCollection(Collection collection) {
Iterator iterator = collection.iterator()
while (iterator.hasNext())
System.out.println(iterator.next().toString())
}
这看起来够简单的了。它只不过调用了Object.toString()方法，然后打印出对象，对吗？但如果有一组哈希表怎么办？事情就会开始变得复杂起来。你必须检查从集合中返回的对象的类型：
public void messyPrintCollection(Collection collection) {
Iterator iterator = collection.iterator()
while (iterator.hasNext()) {
Object o = iterator.next();
if (o instanceof Collection)
messyPrintCollection((Collection)o);
else
System.out.println(o.toString());
}
}
不错，现在已经解决了嵌套集合的问题，但它需要对象返回String，如果有其它不返回String的对象存在怎么办？如果想在String对象前后添加引号以及在Float后添加f又该怎么办？代码还是越来越复杂：
public void messyPrintCollection(Collection collection) {
Iterator iterator = collection.iterator()
while (iterator.hasNext()) {
Object o = iterator.next();
if (o instanceof Collection)
messyPrintCollection((Collection)o);
else if (o instanceof String)
System.out.println("""+o.toString()+""");
else if (o instanceof Float)
System.out.println(o.toString()+"f");
else
System.out.println(o.toString());
}
}
可以看到，事情的复杂度会急剧增长。你当然不想让一段代码到处充斥着if-else语句！那怎么避免呢？Visitor模式可以帮你。
要实现Visitor模式，得为访问者建立一个Visitor接口，还要为被访问的集合建立一个Visitable接口。然后，让具体类实现Visitor和Visitable接口。这两个接口如下所示：
public interface Visitor
{
public void visitCollection(Collection collection);
public void visitString(String string);
public void visitFloat(Float float);
}
public interface Visitable
{
public void accept(Visitor visitor);
}
对于具体的String，可能是这样：
public class VisitableString implements Visitable
{
private String value;
public VisitableString(String string) {
value = string;
}
public void accept(Visitor visitor) {
visitor.visitString(this);
}
}
在accept方法中，对this类型调用正确的visitor方法：
visitor.visitString(this)
这样，就可以如下实现具体的Visitor：
public class PrintVisitor implements Visitor
{
public void visitCollection(Collection collection) {
Iterator iterator = collection.iterator()
while (iterator.hasNext()) {
Object o = iterator.next();
if (o instanceof Visitable)
((Visitable)o).accept(this);
}
public void visitString(String string) {
System.out.println("""+string+""");
}
public void visitFloat(Float float) {
System.out.println(float.toString()+"f");
}
}
实现VisitableFloat和VisitableCollection类的时候，它们也是各自调用合适的Visitor方法，所得到的效果和前面那个用了if-else的messyPrintCollection方法一样，但这里的手法更干净。在visitCollection()中，调用的是Visitable.accept(this)，然后这个调用又返回去调用一个合适的Visitor方法。这被称做 "双分派"；即，Visitor先调用了Visitable类中的方法，这个方法又回调到Visitor类中。
虽然通过实现visitor消除了if-else语句，却也增加了很多额外的代码。最初的String和Float对象都要用实现了Visitable接口的对象进行包装。这有点讨厌，但一般说来不是问题，因为你可以让经常被访问的集合只包含那些实现了Visitable接口的对象。
但似乎这还是额外的工作。更糟糕的是，当增加一个新的Visitable类型如VisitableInteger时，会发生什么呢？这是Visitor模式的一个重大缺陷。如果想增加一个新的Visitable对象，就必须修改Visitor接口，然后对每一个Visitor实现类中的相应的方法一一实现。你可以用一个带缺省空操作的Visitor抽象基类来代替接口。那就很象Java GUI中的Adapter类。那个方法的问题在于，它需要占用单继承；而你往往想保留单继承，让它用于其它什么东西，比如继承StringWriter。那个方法还有限制，它只能够成功访问Visitable对象。
幸运的是，Java可以让Visitor模式更灵活，使得你可以随心所欲地增加Visitable对象。怎么做？答案是，使用Reflection。比如，可以设计这样一个ReflectiveVisitor接口，它只需要一个方法：
public interface ReflectiveVisitor {
public void visit(Object o);
}
就这样，很简单。至于Visitable，还是和前面一样，我过一会儿再说。现在先用Reflection来实现PrintVisitor：
public class PrintVisitor implements ReflectiveVisitor {
public void visitCollection(Collection collection)
{ ... same as above ... }
public void visitString(String string)
{ ... same as above ... }
public void visitFloat(Float float)
{ ... same as above ... }
public void default(Object o)
{
System.out.println(o.toString());
}
public void visit(Object o) {
// Class.getName() returns package information as well.
// This strips off the package information giving us
// just the class name
String methodName = o.getClass().getName();
methodName = "visit"+
methodName.substring(methodName.lastIndexOf(".")+1);
// Now we try to invoke the method visit
try {
// Get the method visitFoo(Foo foo)
Method m = getClass().getMethod(methodName,
new Class[] { o.getClass() });
// Try to invoke visitFoo(Foo foo)
m.invoke(this, new Object[] { o });
} catch (NoSuchMethodException e) {
// No method, so do the default implementation
default(o);
}
}
}
现在不需要Visitable包装类。仅仅只是调用visit()，请求就会分发到正确的方法上。很不错的一点是，只要认为适合，visit()就可以分发。这并非必须使用reflection--它可以使用其它完全不同的机制。
新的PrintVisitor中，有针对Collection，String和Float而写的方法，但然后它又在catch语句中捕捉所有未处理的类型。你要扩展visit()方法，使得它也能够处理所有的父类。首先，得增加一个新方法，称为getMethod(Class c)，它返回的是要调用的方法；为了找到这个相匹配的方法，先在类c的所有父类中寻找，然后在类c的所有接口中寻找。
protected Method getMethod(Class c) {
Class newc = c;
Method m = null;
// Try the superclasses
while (m == null && newc != Object.class) {
String method = newc.getName();
method = "visit" + method.substring(method.lastIndexOf(".") + 1);
try {
m = getClass().getMethod(method, new Class[] {newc});
} catch (NoSuchMethodException e) {
newc = newc.getSuperclass();
}
}
// Try the interfaces. If necessary, you
// can sort them first to define "visitable" interface wins
// in case an object implements more than one.
if (newc == Object.class) {
Class[] interfaces = c.getInterfaces();
for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
String method = interfaces.getName();
method = "visit" + method.substring(method.lastIndexOf(".") + 1);
try {
m = getClass().getMethod(method, new Class[] {interfaces});
} catch (NoSuchMethodException e) {}
}
}
if (m == null) {
try {
m = thisclass.getMethod("visitObject", new Class[] {Object.class});
} catch (Exception e) {
// Can"t happen
}
}
return m;
}
看起来有些复杂，其实不然。实际上，它只是根据传进来的类名去寻找相应的方法而已。如果没找到，就在父类中找；还没找到，再到接口中找。最后，就拿visitObject()作为缺省。
注意，为了照顾那些熟悉传统Visitor模式的读者，我对方法的名称采用了传统的命名方式。但正如你们一些人所注意到的，把所有的方法命名为 "visit" 然后让参数类型作为区分会更高效。但这样做的话，你得把主visit(Object o)方法的名字改为dispatch(Object o)之类。否则，就没有一个缺省方法可用了，你就得在调用visit(Object o)时将类型转换为Object，以保证visit采用的是正确的调用方式。
现在可以修改visit()方法，以利用getMethod()：
public void visit(Object object) {
try {
Method method = getMethod(getClass(), object.getClass());
method.invoke(this, new Object[] {object});
} catch (Exception e) { }
}
现在，visitor对象的功能强大多了。你可以传进任何对象，并且有某个方法处理它。另外一个好处是，还有一个缺省方法visitObject(Object o)，它可以捕捉任何未知的对象。再多花点工夫，你还可以写出一个visitNull()方法。
我在上面对Visitable接口避而不谈自有原因。传统Visitor模式的另一个好处是，它允许Visitable对象来控制对对象结构的访问。例如，假设有一个实现了Visitable的TreeNode对象，你可以让一个accept()方法来遍历它的左右节点：
public void accept(Visitor visitor) {
visitor.visitTreeNode(this);
visitor.visitTreeNode(leftsubtree);
visitor.visitTreeNode(rightsubtree);
}
这样，只用对Visitor类再进行一点修改，就可以进行Visitable控制访问：
public void visit(Object object) throws Exception
{
Method method = getMethod(getClass(), object.getClass());
method.invoke(this, new Object[] {object});
if (object instanceof Visitable)
{
callAccept((Visitable) object);
}
}
public void callAccept(Visitable visitable) {
visitable.accept(this);
}
如果已经实现了一个Visitable对象结构，可以保留callAccept()方法并使用Visitable控制访问。如果想在visitor中访问结构，只需改写callAccept()方法，使之什么也不做。
想让数个不同的访问者对同一个对象集合进行访问时，Visitor模式可以发挥它的强大作用。假设已经有一个解释器，一个中缀写作器，一个后缀写作器，一个XML写作器和一个SQL写作器，它们都作用在同一个对象集合上。那么，也可以很容易地为相同的对象集合写出一个前缀写作器和一个SOAP写作器。另外，这些写作器可以正常地和它们所不知道的对象工作；当然，如果愿意，也可以让它们抛出异常。
结论
通过使用Java Reflection，你可以增强Visitor模式，使之具有操作对象结构的强大功能，并在增加新Visitable类型方面提供灵活性。希望你在以后的程序设计中能够应用这一模式。
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