反射基础

什么是反射？

反射是一种能够在程序运行时动态访问、修改某个类中任意属性（状态）和方法（行为）的机制（包括private实例和方法），java反射机制提供了以下几个功能：

• 在运行时判断任意一个对象所属的类；
• 在运行时构造任意一个类的对象；
• 在运行时判断任意一个类所具有的成员变量和方法；
• 在运行时调用任意一个对象的方法。

反射涉及到四个核心类：

• java.lang.Class.java：类对象；
• java.lang.reflect.Constructor.java：类的构造器对象；
• java.lang.reflect.Method.java：类的方法对象；
• java.lang.reflect.Field.java：类的属性对象；

反射有什么用？

• 操作因访问权限限制的属性和方法；
• 实现自定义注解；
• 动态加载第三方jar包，解决android开发中方法数不能超过65536个的问题；
• 按需加载类，节省编译和初始化APK的时间；

反射工作原理

当我们编写完一个Java项目之后，每个java文件都会被编译成一个.class文件，这些Class对象承载了这个类的所有信息，包括父类、接口、构造函数、方法、属性等，这些class文件在程序运行时会被ClassLoader加载到虚拟机中。当一个类被加载以后，Java虚拟机就会在内存中自动产生一个Class对象。我们通过new的形式创建对象实际上就是通过这些Class来创建，只是这个过程对于我们是不透明的而已。

反射的工作原理就是借助Class.java、Constructor.java、Method.java、Field.java这四个类在程序运行时动态访问和修改任何类的行为和状态。

反射的特点

优点

• **灵活、自由度高：**不受类的访问权限限制，想对类做啥就做啥；

缺点

• **性能问题：**通过反射访问、修改类的属性和方法时会远慢于直接操作，但性能问题的严重程度取决于在程序中是如何使用反射的。如果使用得很少，不是很频繁，性能将不会是什么问题；
• **安全性问题：**反射可以随意访问和修改类的所有状态和行为，破坏了类的封装性，如果不熟悉被反射类的实现原理，随意修改可能导致潜在的逻辑问题；
• **兼容性问题：**因为反射会涉及到直接访问类的方法名和实例名，不同版本的API如果有变动，反射时找不到对应的属性和方法时会报异常；

反射使用的例子

在学习反射之前，先来了解正射是什么。我们平常用的最多的 new 方式实例化对象的方式就是一种正射的体现。假如我需要实例化一个HashMap，代码就会是这样子。

Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
map.put(1, 1);

某一天发现，该段程序不适合用 HashMap 存储键值对，更倾向于用LinkedHashMap存储。重新编写代码后变成下面这个样子。

Map<Integer, Integer> map = new LinkedHashMap<>();
map.put(1, 1);

假如又有一天，发现数据还是适合用 HashMap来存储，难道又要重新修改源码吗？

发现问题了吗？我们每次改变一种需求，都要去重新修改源码，然后对代码进行编译，打包，再到 JVM 上重启项目。这么些步骤下来，效率非常低。

对于这种需求频繁变更但变更不大的场景，频繁地更改源码肯定是一种不允许的操作，我们可以使用一个开关，判断什么时候使用哪一种数据结构。

public Map<Integer, Integer> getMap(String param) {
    Map<Integer, Integer> map = null;
    if (param.equals("HashMap")) {
        map = new HashMap<>();
    } else if (param.equals("LinkedHashMap")) {
        map = new LinkedHashMap<>();
    } else if (param.equals("WeakHashMap")) {
        map = new WeakHashMap<>();
    }
    return map;
}

通过传入参数param决定使用哪一种数据结构，可以在项目运行时，通过动态传入参数决定使用哪一个数据结构。

如果某一天还想用TreeMap，还是避免不了修改源码，重新编译执行的弊端。这个时候，反射就派上用场了。

在代码运行之前，我们不确定将来会使用哪一种数据结构，只有在程序运行时才决定使用哪一个数据类，而反射可以在程序运行过程中动态获取类信息和调用类方法。通过反射构造类实例，代码会演变成下面这样。

public Map<Integer, Integer> getMap(String className) {
    Class clazz = Class.forName(className);
    Consructor con = clazz.getConstructor();
    return (Map<Integer, Integer>) con.newInstance();
}

无论使用什么 Map，只要实现了Map接口，就可以使用全类名路径传入到方法中，获得对应的 Map 实例。例如java.util.HashMap / java.util.LinkedHashMap····如果要创建其它类例如WeakHashMap，我也不需要修改上面这段源码。

我们来回顾一下如何从 new 一个对象引出使用反射的。

• 在不使用反射时，构造对象使用 new 方式实现，这种方式在编译期就可以把对象的类型确定下来。
• 如果需求发生变更，需要构造另一个对象，则需要修改源码，非常不优雅，所以我们通过使用开关，在程序运行时判断需要构造哪一个对象，在运行时可以变更开关来实例化不同的数据结构。
• 如果还有其它扩展的类有可能被使用，就会创建出非常多的分支，且在编码时不知道有什么其他的类被使用到，假如日后Map接口下多了一个集合类是xxxHashMap，还得创建分支，此时引出了反射：可以在运行时才确定使用哪一个数据类，在切换类时，无需重新修改源码、编译程序。

反射的性能问题

反射与直接访问对比

反射导致的性能问题是否严重跟使用的次数有关系，如果控制在100次以内，基本上没什么差别，如果调用次数超过了100次，性能差异会很明显；

四种访问方式，直接访问实例的方式效率最高；其次是直接调用方法的方式，耗时约为直接调用实例的1.4倍；接着是通过反射访问实例的方式，耗时约为直接访问实例的3.75倍；最慢的是通过反射访问方法的方式，耗时约为直接访问实例的6.2倍；

反射慢在哪里？

反射调用都存在实例化代码；调用了setAccessible方法，但该方法纯粹只是设置属性值，不会产生明显的性能差异；所以最有可能产生性能差异的只有getMethod和getDeclaredField、invoke和set方法了。

getMethod和getDeclaredField方法会比invoke和set方法耗时；随着测试数量级越大，性能差异的比例越趋于稳定；

反射使用原则

过多地使用反射，的确会存在性能问题，但如果使用得当，所谓反射导致性能问题也就不是问题了，关于反射对性能的影响，参照下面的使用原则，并不会有什么明显的问题：

• 不要过于频繁地使用反射，大量地使用反射会带来性能问题；
• 通过反射直接访问实例会比访问方法快很多，所以应该优先采用访问实例的方式。

反射应用场景

JDBC数据库的连接

1. 通过Class.forName()加载数据库的驱动程序 （通过反射加载，前提是引入相关了Jar包）

2. 通过 DriverManager 类进行数据库的连接，连接的时候要输入数据库的连接地址、用户名、密码

3. 通过Connection 接口接收连接

   public class ConnectionJDBC {  
   
       
       //驱动程序就是之前在classpath中配置的JDBC的驱动程序的JAR 包中  
       public static final String DBDRIVER = "com.mysql.jdbc.Driver";  
       //连接地址是由各个数据库生产商单独提供的，所以需要单独记住  
       public static final String DBURL = "jdbc:mysql://localhost:3306/test";  
       //连接数据库的用户名  
       public static final String DBUSER = "root";  
       //连接数据库的密码  
       public static final String DBPASS = "";  
   
       public static void main(String[] args) throws Exception {
           //表示数据库的连接对象  
           Connection con = null; 
           //1、使用CLASS 类加载驱动程序 ,反射机制的体现 
           Class.forName(DBDRIVER); 
           //2、连接数据库 
           con = DriverManager.getConnection(DBURL,DBUSER,DBPASS); 		 
           System.out.println(con);  
           // 3、关闭数据库  
           con.close(); 
       }  
   }
   

Spring 框架的使用

在 Java的反射机制在做基础框架的时候非常有用，行内有一句这样的老话：反射机制是Java框架的基石。一般应用层面很少用，不过这种东西，现在很多开源框架基本都已经封装好了，自己基本用不着写。

spring也用到很多反射机制。最经典的就是xml的配置模式。 Spring 通过 XML 配置模式装载 Bean 的过程：

1. 将程序内所有 XML 或 Properties 配置文件加载入内存中
2. Java类里面解析xml或properties里面的内容，得到对应实体类的字节码字符串以及相关的属性信息
3. 使用反射机制，根据这个字符串获得某个类的Class实例
4. 动态配置实例的属性

Spring这样做的好处是：

• 不用每一次都要在代码里面去new或者做其他的事情
• 以后要改的话直接改配置文件，代码维护起来就很方便了
• 有时为了适应某些需求，Java类里面不一定能直接调用另外的方法，可以通过反射机制来实现

模拟 Spring 加载 XML 配置文件：

public class BeanFactory {
       private Map<String, Object> beanMap = new HashMap<String, Object>();
       /**
       * bean工厂的初始化.
       * @param xml xml配置文件
       */
       public void init(String xml) {
              try {
                     //读取指定的配置文件
                     SAXReader reader = new SAXReader();
                     ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
                     //从class目录下获取指定的xml文件
                     InputStream ins = classLoader.getResourceAsStream(xml);
                     Document doc = reader.read(ins);
                     Element root = doc.getRootElement();  
                     Element foo;

                     //遍历bean
                     for (Iterator i = root.elementIterator("bean"); i.hasNext();) {  
                            foo = (Element) i.next();
                            //获取bean的属性id和class
                            Attribute id = foo.attribute("id");  
                            Attribute cls = foo.attribute("class");

                            //利用Java反射机制，通过class的名称获取Class对象
                            Class bean = Class.forName(cls.getText());

                            //获取对应class的信息
                            java.beans.BeanInfo info = java.beans.Introspector.getBeanInfo(bean);
                            //获取其属性描述
                            java.beans.PropertyDescriptor pd[] = info.getPropertyDescriptors();
                            //设置值的方法
                            Method mSet = null;
                            //创建一个对象
                            Object obj = bean.newInstance();

                            //遍历该bean的property属性
                            for (Iterator ite = foo.elementIterator("property"); ite.hasNext();) {  
                                   Element foo2 = (Element) ite.next();
                                   //获取该property的name属性
                                   Attribute name = foo2.attribute("name");
                                   String value = null;

                                   //获取该property的子元素value的值
                                   for(Iterator ite1 = foo2.elementIterator("value"); ite1.hasNext();) {
                                          Element node = (Element) ite1.next();
                                          value = node.getText();
                                          break;
                                   }

                                   for (int k = 0; k < pd.length; k++) {
                                          if (pd[k].getName().equalsIgnoreCase(name.getText())) {
                                                 mSet = pd[k].getWriteMethod();
                                                 //利用Java的反射极致调用对象的某个set方法，并将值设置进去
                                                 mSet.invoke(obj, value);
                                          }
                                   }
                            }

                            //将对象放入beanMap中，其中key为id值，value为对象
                            beanMap.put(id.getText(), obj);
                     }
              } catch (Exception e) {
                     System.out.println(e.toString());
              }
       }

       //other codes
}

参考：

• 框架中处处可见反射的运用，你对它了解多少？ (opens new window)
• 反射是如何影响性能的，它到底慢在哪里？ (opens new window)
• 面试官：说一下Java反射机制的应用场景 (opens new window)
• Java基础反射篇 (opens new window)