反射

1.Class类

除了int等基本类型外，Java的其他类型全部都是class（包括interface）。而class是由JVM在执行过程中动态加载的。JVM在第一次读取到一种class类型时，将其加载进内存。
每加载一种class，JVM就为其创建一个Class类型的实例，并关联起来。注意：这里的Class类型是一个名叫Class的class。它长这样：

public final class Class {
    private Class() {}
}

以String类为例，当JVM加载String类时，它首先读取String.class文件到内存，然后，为String类创建一个Class实例并关联起来：

Class cls = new Class(String);

这个Class实例是JVM内部创建的，如果我们查看JDK源码，可以发现Class类的构造方法是private，只有JVM能创建Class实例，我们自己的Java程序是无法创建Class实例的。
所以，JVM持有的每个Class实例都指向一个数据类型（class或interface）：

┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> String
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.String"  │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> Random
├───────────────────────────┤
│name = "java.util.Random"  │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> Runnable
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.Runnable"│
└───────────────────────────┘

一个Class实例包含了该class的所有完整信息：

┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> String
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.String"  │
├───────────────────────────┤
│package = "java.lang"      │
├───────────────────────────┤
│super = "java.lang.Object" │
├───────────────────────────┤
│interface = CharSequence...│
├───────────────────────────┤
│field = value[],hash,...   │
├───────────────────────────┤
│method = indexOf()...      │
└───────────────────────────┘

由于JVM为每个加载的class创建了对应的Class实例，并在实例中保存了该class的所有信息，包括类名、包名、父类、实现的接口、所有方法、字段等，因此，如果获取了某个Class实例，我们就可以通过这个Class实例获取到该实例对应的class的所有信息。
这种通过Class实例获取class信息的方法称为反射（Reflection）。
如何获取一个class的Class实例？有三个方法：
方法一：直接通过一个class的静态变量class获取：

Class cls = String.class;

方法二：如果我们有一个实例变量，可以通过该实例变量提供的getClass()方法获取：

String s = "Hello";
Class cls = s.getClass();

方法三：如果知道一个class的完整类名，可以通过静态方法Class.forName()获取：

Class cls = Class.forName("java.lang.String");

因为Class实例在JVM中是唯一的，所以，上述方法获取的Class实例是同一个实例。可以用==比较两个Class实例：

Class cls1 = String.class;
String s = "Hello";
Class cls2 = s.getClass();
boolean sameClass = cls1 == cls2; // true

数组（例如String[]）也是一种Class，而且不同于String.class，它的类名是[Ljava.lang.String。此外，JVM为每一种基本类型如int也创建了Class，通过int.class访问。
如果获取到了一个Class实例，我们就可以通过该Class实例来创建对应类型的实例：

// 获取String的Class实例:
Class cls = String.class;
// 创建一个String实例:
String s = (String) cls.newInstance();

动态加载
JVM在执行Java程序的时候，并不是一次性把所有用到的class全部加载到内存，而是第一次需要用到class时才加载。例如：

// Main.java
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        if (args.length > 0) {
            create(args[0]);
        }
    }
    static void create(String name) {
        Person p = new Person(name);
    }
}

当执行Main.java时，由于用到了Main，因此，JVM首先会把Main.class加载到内存。然而，并不会加载Person.class，除非程序执行到create()方法，JVM发现需要加载Person类时，才会首次加载Person.class。如果没有执行create()方法，那么Person.class根本就不会被加载。
这就是JVM动态加载class的特性。
动态加载class的特性对于Java程序非常重要。利用JVM动态加载class的特性，我们才能在运行期根据条件加载不同的实现类。例如，Commons Logging总是优先使用Log4j，只有当Log4j不存在时，才使用JDK的logging。利用JVM动态加载特性，大致的实现代码如下：

// Commons Logging优先使用Log4j:
LogFactory factory = null;
if (isClassPresent("org.apache.logging.log4j.Logger")) {
    factory = createLog4j();
} else {
    factory = createJdkLog();
}
boolean isClassPresent(String name) {
    try {
        Class.forName(name);
        return true;
    } catch (Exception e) {
        return false;
    }
}

这就是为什么我们只需要把Log4j的jar包放到classpath中，Commons Logging就会自动使用Log4j的原因。

2.访问字段

2.1.获取字段
对任意的一个Object实例，只要我们获取了它的Class，就可以获取它的一切信息。
我们先看看如何通过Class实例获取字段信息。Class类提供了以下几个方法来获取字段：
Field getField(name)：根据字段名获取某个public的field（包括父类）
Field getDeclaredField(name)：根据字段名获取当前类的某个field（不包括父类）
Field[] getFields()：获取所有public的field（包括父类）
Field[] getDeclaredFields()：获取当前类的所有field（不包括父类）

public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException {
        Class studentClass = Student.class;
        //public字段score
        System.out.println(studentClass.getField("score"));
        //获取继承的字段name
        System.out.println(studentClass.getField("name"));
        //获取private字段 grade
        System.out.println(studentClass.getField("grade"));
    }

    class Student extends Person{
        public double score;
        public int grade;
    }

    class Person{
        public String name;
    }

上述代码首先获取Student的Class实例，然后，分别获取public字段、继承的public字段以及private字段，打印出的Field类似：

public int Student.score
public java.lang.String Person.name
private int Student.grade

一个Field对象包含了一个字段的所有信息：
getName()：返回字段名称，例如，"name"；
getType()：返回字段类型，也是一个Class实例，例如，String.class；
getModifiers()：返回字段的修饰符，它是一个int，不同的bit表示不同的含义。
以String类的value字段为例，它的定义是：

public final class String {
    private final byte[] value;
}

我们用反射获取该字段的信息，代码如下：

Field f = String.class.getDeclaredField("value");
f.getName(); // "value"
f.getType(); // class [B 表示byte[]类型
int m = f.getModifiers();
Modifier.isFinal(m); // true
Modifier.isPublic(m); // false
Modifier.isProtected(m); // false
Modifier.isPrivate(m); // true
Modifier.isStatic(m); // false

2.2.获取字段值
利用反射拿到字段的一个Field实例只是第一步，我们还可以拿到一个实例对应的该字段的值。
例如，对于一个Person实例，我们可以先拿到name字段对应的Field，再获取这个实例的name字段的值：

public class Reflection {

    public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, NoSuchFieldException {
        Object person = new Person("Jessie");
        Class personClass = person.getClass();
        Field field = personClass.getField("name");
        Object value = field.get(person);
        System.out.println(value);  //Jessie
    }
}

package com.ljessie.designpattern.java;

public class Person {

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

}

上述代码先获取Class实例，再获取Field实例，然后，用Field.get(Object)获取指定实例的指定字段的值。
2.3.设置字段值
通过Field实例既然可以获取到指定实例的字段值，自然也可以设置字段的值。

public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, NoSuchFieldException {
        Person person = new Person("Jessie");
        System.out.println(person.getName());  //Jessie
        Class personClass = person.getClass();
        Field field = personClass.getDeclaredField("name");
        field.set(person,"Bob");
        System.out.println(person.getName());  //Jessie
    }

public class Person {

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

    public String getName() {
        return name;
    }
}

运行上述代码，打印的name字段从Xiao Ming变成了Xiao Hong，说明通过反射可以直接修改字段的值。
修改非public字段，需要首先调用setAccessible(true)。

3.调用方法

3.1.获取Method
Class类提供了以下几个方法来获取Method：
Method getMethod(name, Class…)：获取某个public的Method（包括父类）
Method getDeclaredMethod(name, Class…)：获取当前类的某个Method（不包括父类）
Method[] getMethods()：获取所有public的Method（包括父类）
Method[] getDeclaredMethods()：获取当前类的所有Method（不包括父类）
示例代码：

public class Person {

    public String name;

    public String getName() {
        return "Person";
    }
}

public class Student extends Person {
    public int getScore(String name){
        return 99;
    }
    private int getGrade(){
        return 1;
    }
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class studentClass = Student.class;
        //获取public方法，参数为String
        System.out.println(studentClass.getMethod("getScore",String.class));
        //获取继承的public方法，无参数
        System.out.println(studentClass.getMethod("getName"));
        //获取private方法，无参数
        System.out.println(studentClass.getDeclaredMethod("getGrade"));
    }

上述代码首先获取Student的Class实例，然后，分别获取public方法、继承的public方法以及private方法，打印出的Method类似：

public int Student.getScore(java.lang.String)
public java.lang.String Person.getName()
private int Student.getGrade(int)

一个Method对象包含一个方法的所有信息：
getName()：返回方法名称，例如："getScore"；
getReturnType()：返回方法返回值类型，也是一个Class实例，例如：String.class；
getParameterTypes()：返回方法的参数类型，是一个Class数组，例如：{String.class, int.class}；
getModifiers()：返回方法的修饰符，它是一个int，不同的bit表示不同的含义。
3.2.调用方法

public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class studentClass = Student.class;
        //获取public方法，参数为String
        Method m = studentClass.getMethod("getScore",String.class);
        int score = (int) m.invoke(new Student(),"Jessie");
        System.out.println(score); //99
    }

对Method实例调用invoke就相当于调用该方法，invoke的第一个参数是对象实例，即在哪个实例上调用该方法，后面的可变参数要与方法参数一致，否则将报错。
3.3.调用静态方法
如果获取到的Method表示一个静态方法，调用静态方法时，由于无需指定实例对象，所以invoke方法传入的第一个参数永远为null。

public static void main(String[] args) throws Exception {
        Class studentClass = Student.class;
        //获取public方法，参数为String
        Method m = studentClass.getMethod("getScore",String.class);
        int score = (int) m.invoke(null,"Jessie");
        System.out.println(score); //99
    }
public class Student extends Person {
    public static int getScore(String name){
        return 99;
    }
    private int getGrade(){
        return 1;
    }

}

3.4.调用非public方法
和Field类似，对于非public方法，我们虽然可以通过Class.getDeclaredMethod()获取该方法实例，但直接对其调用将得到一个IllegalAccessException。为了调用非public方法，我们通过Method.setAccessible(true)允许其调用：

public static void main(String[] args) throws Exception {
        Student person = new Student();
        Class studentClass = person.getClass();
        //获取public方法，参数为String
        Method m = studentClass.getDeclaredMethod("getScore",String.class);
        m.setAccessible(true);
        int score = (int) m.invoke(person,"Jessie");
        System.out.println(score); //99
    }

public class Student extends Person {
    private int getScore(String name){
        return 99;
    }
    private int getGrade(){
        return 1;
    }

}

此外，setAccessible(true)可能会失败。如果JVM运行期存在SecurityManager，那么它会根据规则进行检查，有可能阻止setAccessible(true)。例如，某个SecurityManager可能不允许对java和javax开头的package的类调用setAccessible(true)，这样可以保证JVM核心库的安全。
3.5.多态

public static void main(String[] args) throws Exception {
        //获取Person的hello方法
        Method m = Person.class.getMethod("hello");
        //对Student实例调用hello方法
        m.invoke(new Person());
    }
public class Student extends Person {
    public void hello(){
        System.out.println("Student hello");
    }
}
public class Person {
    
    public void hello(){
        System.out.println("person hello");
    }

}

运行上述代码，发现打印出的是person hello，因此，使用反射调用方法时，仍然遵循多态原则：即总是调用实际类型的覆写方法（如果存在）。

4.调用构造方法

如果通过反射来创建新的实例，可以调用Class提供的newInstance()方法：

Person p = Person.class.newInstance();

调用Class.newInstance()的局限是，它只能调用该类的public无参数构造方法。如果构造方法带有参数，或者不是public，就无法直接通过Class.newInstance()来调用。为了调用任意的构造方法，Java的反射API提供了Constructor对象，它包含一个构造方法的所有信息，可以创建一个实例。Constructor对象和Method非常类似，不同之处仅在于它是一个构造方法，并且，调用结果总是返回实例：

public class Person {

    private String name;

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

    @Override
    public String toString() {
        return name;
    }
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
        Constructor<Person> constructor = Person.class.getConstructor(String.class);
        Person person = constructor.newInstance("Jessie");
        System.out.println(person.toString());
    }

通过Class实例获取Constructor的方法如下：
getConstructor(Class…)：获取某个public的Constructor；
getDeclaredConstructor(Class…)：获取某个Constructor；
getConstructors()：获取所有public的Constructor；
getDeclaredConstructors()：获取所有Constructor。
Constructor总是当前类定义的构造方法，和父类无关，因此不存在多态的问题。调用非public的Constructor时，必须首先通过setAccessible(true)设置允许访问。setAccessible(true)可能会失败。

5.获取继承关系

5.1.获取父类的Class
有了Class实例，我们可以获取它的父类的Class：

Class studentClass = Student.class;
        Class superClass = studentClass.getSuperclass();
        System.out.println(superClass);

5.2获取接口

Class integerClass = Integer.class;
        Class[] classes =integerClass.getInterfaces();
        for(Class cla:classes){
            System.out.println(cla);
        }

要特别注意：getInterfaces()只返回当前类直接实现的接口类型，并不包括其父类实现的接口类型：
5.3继承关系
如果是两个Class实例，要判断一个向上转型是否成立，可以调用isAssignableFrom()：

// Integer i = ?
Integer.class.isAssignableFrom(Integer.class); // true，因为Integer可以赋值给Integer
// Number n = ?
Number.class.isAssignableFrom(Integer.class); // true，因为Integer可以赋值给Number
// Object o = ?
Object.class.isAssignableFrom(Integer.class); // true，因为Integer可以赋值给Object
// Integer i = ?
Integer.class.isAssignableFrom(Number.class); // false，因为Number不能赋值给Integer

6.动态代理

Java标准库提供了一种动态代理（Dynamic Proxy）的机制：可以在运行期动态创建某个interface的实例。
什么叫运行期动态创建？听起来好像很复杂。所谓动态代理，是和静态相对应的。我们来看静态代码怎么写：
定义接口：

public interface Hello {
    void morning(String name);
}

编写实现类：

public class HelloWorld implements Hello {
    public void morning(String name) {
        System.out.println("Good morning, " + name);
    }
}

创建实例，转型为接口并调用：

Hello hello = new HelloWorld();
hello.morning("Bob");
这种方式就是我们通常编写代码的方式。

还有一种方式是动态代码，我们仍然先定义了接口Hello，但是我们并不去编写实现类，而是直接通过JDK提供的一个Proxy.newProxyInstance()创建了一个Hello接口对象。这种没有实现类但是在运行期动态创建了一个接口对象的方式，我们称为动态代码。JDK提供的动态创建接口对象的方式，就叫动态代理。

public class Reflection {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        InvocationHandler invocationHandler = new InvocationHandler() {
            @Override
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
                System.out.println(method);
                if ("hello".equals(method.getName())){
                    System.out.println("hello "+args[0]);
                }
                return null;
            }
        };
        
        Hello hello = (Hello) Proxy.newProxyInstance(
                Hello.class.getClassLoader(),//传入ClassLoader
                new Class[] {Hello.class},//传入要实现的接口
                invocationHandler
        );

        hello.hello("Jessie");
    }

}
interface Hello{
    void hello(String name);
}

在运行期动态创建一个interface实例的方法如下：
定义一个InvocationHandler实例，它负责实现接口的方法调用；
通过Proxy.newProxyInstance()创建interface实例，它需要3个参数：
使用的ClassLoader，通常就是接口类的ClassLoader；
需要实现的接口数组，至少需要传入一个接口进去；
用来处理接口方法调用的InvocationHandler实例。
将返回的Object强制转型为接口。
动态代理实际上是JDK在运行期动态创建class字节码并加载的过程，它并没有什么黑魔法。