Java Reflection（从浅入深理解反射）

本节的代码链接：reflection

1. 反射的由来

反射机制允许程序执行期借助于Reflection API取得任何类的内部信息，如成员变量、构造器、成员方法等，并能操作对象的属性及方法，在设计模式和框架底层都会用到。

1.1 引入需求

编写框架的时候有一个常见的需求：通过外部配置文件，在不修改源码的情况下，来扩展功能。

有这么一个类：

public class Obj {
    private String name = "mimi";

    public Obj() {
    }

    public Obj(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void sayHi() {
        System.out.println(this.name + " say: hi!");
    }
}

试着思考：在了解反射之前，你是否可以使用现有技术，通过一个指定了某个类的全限定类名和方法的.properties配置文件，实例出对象并且调用其中的方法呢？

1.2 尝试通过I/O解决

我们知道，通过全限定类名确实可以实例化一个对象

Obj obj = new com.chenshu.Obj();

那我就先通过I/O把Obj类的全限定类名和方法拿出来呗，使用Properties类，可以轻松的读写文件：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1.读写文件
        Properties properties = new Properties();
        properties.load(new FileInputStream("src/static/re.properties"));
        String classPathName = properties.getProperty("classPath");
        String methodName = properties.getProperty("method");
        System.out.println("全限定类名：" + classPathName);
        System.out.println("方法名：" + methodName);
    }
}

拿到全限定类名和方法名后，我们开始犯难了，拿到了Obj类的全限定类名后，也不可能通过这个 String 创建对象啊，这时就要用到反射机制了。

2. 反射机制快速入门

2.1 加载类

通过一个类名为Class的类来获取到Obj类，可以把下面的clazz对象看成Obj类的图纸：

Class clazz = Class.forName(classPathName);

2.2 获得实例

通过clazz得到 com.chenshu.Obj 的对象实例：

Object o = clazz.newInstance();

2.3 获得方法

在 java.lang.reflect 包中有一个 Method 类可以从 clazz 中接收方法，也就是把方法视为一个对象，并通过方法.invoke(对象)来实现调用：

Method method = clazz.getMethod(methodName);
method.invoke(o);

3. 反射原理

加载完类之后，在堆中就产生了一个Class类型的对象 (一个类只有一个Class对象)，这个对象包含了类的完整结构信息。通过这个对象得到类的结构。这个对象就像一个镜子，透过这个镜子看到类的结构，所以，形象的称之为反射。

为什么能够通过这样一个Class对象来进行创建实例，操作属性，操作方法呢？

以前面提到的Obj类为例子：

Obj.java这样一个java代码，会在编译时期被转换为Obj.class的字节码文件

Untitled Diagram.drawio.png

当Java程序在“运行阶段”首次使用某个类时，这个类的字节码会被加载到JVM中。这个阶段称为“加载阶段”。加载不仅仅是将类的字节码读入内存，还会创建一个代表该类的Class对象。这个Class对象可以看作是一个可以操作的数据结构。

直到类加载完了才生成了这么一个对象

Untitled Diagram.drawio-6.png

由于Obj知道自身是属于哪一个对象，因此能够getClass()方法找到它的Class对象，并且能通过Class对象提供的一系列API来修改这个数据结构，进而进行这些操作：创建对象、调用方法、操作属性等。

4. 反射的主要类

//加载类
Class clazz = Class.forName(classPathName);
Object o = clazz.newInstance();

4.1 java.lang.reflect.Field

代表类的成员变量，字段 (Field) 对象表示某个类的成员变量

Field nameField = clazz.getField("age");

通过get获取属性值，也可以通过set修改属性值：

nameField.set(o, 30);
System.out.println("修改age后的值为：" + nameField.get(o));

运行结果：

修改age后的值为：30

4.2 java.lang.reflect.Method

代表类的方法，方法(Method)对象表示某个类的方法

Method method = clazz.getMethod(methodName);
//通过invoke调用方法
method.invoke(o);

前面已经使用过，这里就不多说了。

4.3 java.lang.reflect.Constructor

代表类的构造方法，构造函数(Constructor)对象表示构造器

Constructor constructor1 = clazz.getConstructor();
Constructor constructor2 = clazz.getConstructor(String.class);

在程序中可以通过构造器来构造对象：

//使用无参构造器
Object object = constructor1.newInstance();
//使用带参构造器
Object object1 = constructor2.newInstance("test");
System.out.println(object);
System.out.println(object1);

运行结果：

Obj{name='mimi', age=20}
Obj{name='test', age=20}

5. java.lang.Class

5.1 概述

  1. Class也是类，因此也继承Object类
  2. Class类对象不是new出来的，而是当一个类第一次被使用时，ClassLoader(类加载器)调用loadClass()方法创建出来的
  3. 对于某个类的字节码文件，在内存中只有一份，因为类只加载一次
  4. 每个类的实例都会记得自己是由哪个 Class 实例所生成，因此可以通过getClass()获得
  5. 通过Class可以完整地得到一个类的完整结构,并通过一系列API来操作这个类
  6. Class对象是存放在堆的类的字节码二进制数据，是放在方法区的，有的地方称为类的元数据(包括 方法代码，变量名，方法名，访问权限等等)

5.2 获取Class对象的六种方式

  1. Class.forName() 应用场景：通过配置文件获取
String classPathName = "com.chenshu.Obj";
Class cls1 = Class.forName(classPathName);
  1. 类名.class 应用场景：用于参数传递
Class cls2 = Obj.class;
  1. 对象.getClass() 应用场景：有对象实例
Obj obj = new Obj();
Class cls3 = obj.getClass();
  1. classLoader.loudClass()
ClassLoader classLoader = obj.getClass().getClassLoader();
Class cls4 = classLoader.loadClass(classPathName);
  1. 基本数据类型.class
Class<Integer> integerClass = int.class;
Class<Character> characterClass = char.class;
  1. 包装类型.TYPE
Class<Integer> type = Integer.TYPE;
Class<Character> type1 = Character.TYPE;

5.3 常用API及使用

定义一个下面的类用于测试：

class User {
    //四种修饰符修饰的属性
    public String name;
    protected int age;
    String gender;
    private double salary;
    
    //无参公开构造器
    public User() {
        
    }
    //有参公开构造器
    public User(String name) {
        this.name = name;
    }
    //有参私有构造器
    private User(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    //四种修饰符的方法
    public void m1() {

    }
    protected void m2() {

    }
    void m3() {

    }
    private void m4() {

    }
}

先获取User的Class对象，后面的API都通过这个Class对象来使用：

Class<?> userCls = Class.forName("com.chenshu.test.User");
  1. getName()获取全类名
System.out.println(userCls.getName());

运行结果：

com.chenshu.test.User
  1. getSimpleName()获取简单类名
System.out.println(userCls.getSimpleName());

运行结果：

User
  1. getFields()获取本类和父类的public属性
Field[] fields = userCls.getFields();
for (Field field : fields) {
    System.out.println("本类及父类的public属性：" + field.getName());
}

运行结果：

本类及父类的public属性：name
  1. getDeclaredFields()获取所有本类的属性
Field[] declareFields = userCls.getDeclaredFields();
for (Field field : declareFields) {
    System.out.println("本类的所有属性：" + field.getName());
}

运行结果：

本类的所有属性：name
本类的所有属性：age
本类的所有属性：gender
本类的所有属性：salary
  1. getMethods()获取本类及父类的public方法
Method[] methods = userCls.getMethods();
for (Method method : methods) {
    System.out.println("本类及父类的public方法：" + method.getName());
}

运行结果：

本类及父类的public方法：m1
本类及父类的public方法：wait
本类及父类的public方法：wait
本类及父类的public方法：wait
本类及父类的public方法：equals
本类及父类的public方法：toString
本类及父类的public方法：hashCode
本类及父类的public方法：getClass
本类及父类的public方法：notify
本类及父类的public方法：notifyAll
  1. getDeclaredMethods() 获取本类的所有方法
Method[] declareMethods = userCls.getDeclaredMethods();
for (Method method : declareMethods) {
    System.out.println("本类的所有方法：" + method.getName());
}

运行结果：

本类的所有方法：m1
本类的所有方法：m2
本类的所有方法：m3
本类的所有方法：m4
  1. getConstructors() 获取本类的public构造方法（没有父类）
Constructor<?>[] constructors = userCls.getConstructors();
for (Constructor constructor : constructors) {
    System.out.println("本类的public构造方法：" + constructor.getName());
}

运行结果：

本类的public构造方法：com.chenshu.test.User
本类的public构造方法：com.chenshu.test.User
  1. getDeclaredConstructors() 获取本类所有构造方法
Constructor<?>[] declaredConstructors = userCls.getDeclaredConstructors();
for (Constructor constructor : declaredConstructors) {
    System.out.println("本类的所有构造方法：" + constructor.getName());
}

运行结果：

本类的所有构造方法：com.chenshu.test.User
本类的所有构造方法：com.chenshu.test.User
本类的所有构造方法：com.chenshu.test.User
  1. getPackage() 获取该类所属包
System.out.println(userCls.getPackage());

运行结果：

package com.chenshu.test
  1. getSuperclass() 获取该类的父类

新建一个People类，并让User继承People：

class People {

}
class User extends People{

测试代码：

Class<?> superclass = userCls.getSuperclass();
System.out.println(superclass);

运行结果：

class com.chenshu.test.People
  1. getInterfaces() 获取该类的所有接口

先编写两个接口，并让User类implement它们：

interface IA {
    
}
interface IB{
    
}
class User extends People implements IA, IB{

测试代码：

Class<?>[] interfaces = userCls.getInterfaces();
for(Class anInterface : interfaces) {
    System.out.println("接口信息：" + anInterface);
}

运行结果：

接口信息：interface com.chenshu.test.IA
接口信息：interface com.chenshu.test.IB
  1. getAnnotations() 获取该类的所有注解

随便写一个注解，用于测试：

@Resource
class User extends People implements IA, IB{

测试代码：

Annotation[] annotations = userCls.getAnnotations();
for (Annotation annotation : annotations) {
    System.out.println("注解信息：" + annotation);
}

运行结果：

注解信息：@javax.annotation.Resource(shareable=true, lookup=, name=, description=, authenticationType=CONTAINER, type=class java.lang.Object, mappedName=)

6. 反射暴力破解

前面提到的所有API，都只能获取到 公有的字段、方法、构造器，想要通过反射来获得私有的字段、方法、构造器就必须得用到暴力破解

暴力破解指的就是使用setAccessible()这个方法，在这个方法中可以传true或false两种参数，分别代表禁用或启用安全检查，如果禁用安全检查，就可以不受修饰符的影响，随意实例化、调用方法、修改和获取属性，接下来我们来学习如何利用反射机制暴力破解。

创建一个User类用于测试：

class User {
    private int age;
    private String name;

    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "age=" + age +
                ", name='" + name + ''' +
                '}';
    }

    private User(int age, String name) {
        this.age = age;
        this.name = name;
    }

    private void userMethod() {
        System.out.println("this is a private method..");
    }
}

6.1 暴力创建实例

上面的User类只有一个private修饰的构造方法，通过new的方式无法创建实例，但是如果通过反射机制可以暴力破解。

测试代码：

Class userClazz = Class.forName("com.chenshu.vialate.User");
//获取私有构造器
Constructor declaredConstructor = userClazz.getDeclaredConstructor(int.class, String.class);
//暴破，使用反射可以访问private构造器
declaredConstructor.setAccessible(true);
Object user = declaredConstructor.newInstance(20, "zhangsan");
//打印user
System.out.println(user);

运行结果：

User{age=20, name='zhangsan'}

6.2 暴力破解属性

同样的，没有set方法是无法修改private修饰的属性的，但是通过反射，可以暴力破解。

测试代码：

Field age  =userClazz.getDeclaredField("age");
age.setAccessible(true);
age.set(user, 99);
System.out.println(user);

我们可以发现age字段成功被修改：

User{age=99, name='zhangsan'}

6.3 暴力使用方法

最后，在出了User类这个作用域后，无法使用private修饰的方法，但是通过反射机制，一切都是浮云。

测试代码：

Method method = userClazz.getDeclaredMethod("userMethod");
method.setAccessible(true);
method.invoke(user);

运行结果：

this is a private method..

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