反射

在计算机学中,反射(英语:reflection)是指计算机程序在运行时(runtime)可以访问、检测和修改它本身状态或行为的一种能力。用比喻来说,反射就是程序在运行的时候能够“观察”并且修改自己的行为。

要注意术语“反射”和“内省”(type introspection)的关系。内省(或称“自省”)机制仅指程序在运行时对自身信息(称为元数据)的检测;反射机制不仅包括要能在运行时对程序自身信息进行检测,还要求程序能进一步根据这些信息改变程序状态或结构。

概况

反射用于观察并修改程序在运行时的行为。一个面向反射的(reflection-oriented)程序组件可以监测一个范围内的代码执行情况,可以根据获取的目标对象信息及与此相关的范围修改自身。这可通过在运行时动态分配程序代码实现。

在类型检测严格的面向对象的编程语言如Java中,一般需要在编译期间对程序中需要调用的对象的具体类型、接口、字段和方法的合法性进行检查。反射技术则允许将对需要调用的对象的信息检查工作从编译期间推迟到运行期间再现场执行。这样一来,可以在编译期间先不明确目标对象的接口名称、字段(fields,即对象的成员变量)、可用方法,然后在运行根据目标对象自身的信息决定如何处理。它还允许根据判断结果进行实例化新对象和相关方法的调用。

反射主要用途就是使给定的程序动态地适应不同的运行情况。利用面向对象建模中的多态性也可以简化编写分别适用于多种不同情形的功能代码,但是反射可以解决多态性并不适用的更普遍情形,从而更大程度地避免硬编码(即把代码的细节“写死”,缺乏灵活性)的代码风格。

反射也是元编程的一个关键策略。

示例

考虑一个面向对象风格的应用程序,它可以分别使用功能类X、功能类Y、功能类Z来执行相似的操作。如果事先创建并传递给它的工具是类A的实例,它就调用类A实例具有的方法完成功能;如果事先创建的是类B的实例,它就调用类B实例具有的方法完成功能,如果事先创建的是类C的实例,它就调用类C实例完成功能。如果它们完成相似功能的方法名称都相同,或方法都继承自同一个父类并实现了多态性,那么只需调用名称唯一的目标方法即可,问题已经解决;如果这些条件并不满足,我们碰到的问题变成要根据情况从不同对象中调用名称上存在区别、功能却相似的方法,此时只能分别判断3种不同情况然后挨个进行硬编码,或者考虑使用更优雅的反射技巧。分别判断并硬编码的做法是:在主程序中对不同的功能类进行差异化对待,在运行主程序的时候判断当前可用的工具是不是类A的实例,如果是就以明确“指名道姓”的方式调用它的特定方法,如果不是就继续判断可用的工具是不是类B的实例,如果是就调用B的特定方法,如果也不是就将其视为类C的实例并调用对应的方法。如果可能的类型更多的话,就需要写更多的条件分支语句。然而,如果使用反射式的编程技术,应用程序可以在只写出主要流程、但不写死具体方法名称的情况下,在运行时期灵活地获取可用的目标对象信息,根据目标方法的大致特征自动识别和调用需要的方法,并自动调用目标对象的对应方法解决问题。

优点

支持反射的语言提供了一些在早期高级语言中难以实现的运行时特性。

  • 可以在一定程度上避免硬编码,提供灵活性和通用性。
  • 可以作为一个第一类对象发现并修改源代码的结构(如代码块、类、方法、协议等)。
  • 可以在运行时像对待源代码语句一样动态解析字符串中可执行的代码(类似JavaScript的eval()函数),进而可将跟class或function匹配的字符串转换成class或function的调用或引用。
  • 可以创建一个新的语言字节码解释器来给编程结构一个新的意义或用途。

劣势

  • 此技术的学习成本高。面向反射的编程需要较多的高级知识,包括框架、关系映射和对象交互,以实现更通用的代码执行。
  • 同样因为反射的概念和语法都比较抽象,过多地滥用反射技术会使得代码难以被其他人读懂,不利于合作与交流。
  • 由于将部分信息检查工作从编译期推迟到了运行期,此举在提高了代码灵活性的同时,牺牲了一点点运行效率。

通过深入学习反射的特性和技巧,它的劣势可以尽量避免,但这需要许多时间和经验的积累。

常见应用

  • 反射经常作为软件测试的一部分,比如运行时创建/实例化模拟对象。
  • Java语言解析XML文件的技术用到了反射。

Java中的反射

JAVA 反射机制是在运行状态中,对于任意一个类,都能够知道这个类的所有属性和方法;对于任意一个对象,都能够调用它的任意一个方法和属性;这种动态获取的信息以及动态调用对象的方法的功能称为 java 语言的反射机制。

获取 Class 对象的两种方式

如果我们动态获取到这些信息,我们需要依靠 Class 对象。Class 类对象将一个类的方法、变量等信息告诉运行的程序。Java 提供了两种方式获取 Class 对象:

  1. 知道具体类的情况下可以使用:
Class alunbarClass = TargetObject.class;

但是我们一般是不知道具体类的,基本都是通过遍历包下面的类来获取 Class 对象。

  1. 通过 Class.forName()传入类的路径获取:
Class alunbarClass1 = Class.forName("cn.javaguide.TargetObject");

代码示例

  1. 创建一个我们要使用反射操作的类 TargetObject
package cn.javaguide;

public class TargetObject {
    private String value;

    public TargetObject() {
        value = "JavaGuide";
    }

    public void publicMethod(String s) {
        System.out.println("I love " + s);
    }

    private void privateMethod() {
        System.out.println("value is " + value);
    }
}
  1. 使用反射操作这个类的方法以及参数
package cn.javaguide;

import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InstantiationException, InvocationTargetException, NoSuchFieldException {
        /**
         * 获取TargetObject类的Class对象并且创建TargetObject类实例
         */
        Class<?> tagetClass = Class.forName("cn.javaguide.TargetObject");
        TargetObject targetObject = (TargetObject) tagetClass.newInstance();
        /**
         * 获取所有类中所有定义的方法
         */
        Method[] methods = tagetClass.getDeclaredMethods();
        for (Method method : methods) {
            System.out.println(method.getName());
        }
        /**
         * 获取指定方法并调用
         */
        Method publicMethod = tagetClass.getDeclaredMethod("publicMethod",
                String.class);

        publicMethod.invoke(targetObject, "JavaGuide");
        /**
         * 获取指定参数并对参数进行修改
         */
        Field field = tagetClass.getDeclaredField("value");
        //为了对类中的参数进行修改我们取消安全检查
        field.setAccessible(true);
        field.set(targetObject, "JavaGuide");
        /**
         * 调用 private 方法
         */
        Method privateMethod = tagetClass.getDeclaredMethod("privateMethod");
        //为了调用private方法我们取消安全检查
        privateMethod.setAccessible(true);
        privateMethod.invoke(targetObject);
    }
}

输出内容:

publicMethod
privateMethod
I love JavaGuide
value is JavaGuide

静态编译和动态编译

静态编译

在编译时确定类型,绑定对象

动态编译

运行时确定类型,绑定对象

反射机制优缺点

优点: 运行期类型的判断,动态加载类,提高代码灵活度。
缺点
1. 性能瓶颈:反射相当于一系列解释操作,通知 JVM 要做的事情,性能比直接的 java 代码要慢很多。
2. 安全问题,让我们可以动态操作改变类的属性同时也增加了类的安全隐患。

应用

  • 我们在使用 JDBC 连接数据库时使用 Class.forName()通过反射加载数据库的驱动程序;
  • Spring 框架的 IOC(动态加载管理 Bean)创建对象以及 AOP(动态代理)功能都和反射有联系;
  • 动态配置实例的属性;

参考文献

维基百科
JavaGuide