Java的RTTI和反射机制代码分析

RTTI，即Run-Time Type Identification，运行时类型识别。运行时类型识别是Java中非常有用的机制，在Java运行时，RTTI维护类的相关信息。RTTI能在运行时就能够自动识别每个编译时已知的类型。

很多时候需要进行向上转型，比如base类派生出Derived类，但是现有的方法只需要将base对象作为参数，实际传入的则是其派生类的引用。那么RTTI就在此时起到了作用，比如通过RTTI能识别出Derive类是base的派生类，这样就能够向上转型为Derived。类似的，在用接口作为参数时，向上转型更为常用，RTTI此时能够判断是否可以进行向上转型。

而这些类型信息是通过Class对象（java.lang.Class）的特殊对象完成的，它包含跟类相关的信息。每当编写并编译一个类时就会产生一个.class文件，保存着Class对象，运行这个程序的Java虚拟机（JVM）将使用被称为类加载器（Class Loader）的子系统。而类加载器并非在程序运行之前就加载所有的Class对象，如果尚未加载，默认的类加载器就会根据类名查找.class文件（例如，某个附加类加载器可能会在数据库中查找字节码），在这个类的字节码被加载时接受验证，以确保没有被破坏并且不包含不良Java代码。这也是Java中的类型安全机制之一。一旦某个类的Class对象被载入内存，就可以创建该类的所有对象。

package typeinfo;
class base {
  static { System.out.println("加载base类"); }
}
class Derived extends base { 
  static { System.out.println("加载Derived类");}
}
public class Test {
  static void printerInfo(Class c) {
    System.out.println("类名: " + c.getName() +
      "是否接口? [" + c.isInterface() + "]");
  }
  public static void main(String[] args) {
    Class c = null;
    try {
      c = Class.forName("typeinfo.Derived");
    } catch (ClassNotFoundException e) {
      System.out.println("找不到base类");
      System.exit(1);
    }
    printerInfo(c);
    Class up = c.getSuperclass(); // 取得c对象的基类
    Object obj = null;
    try {
      obj = up.newInstance();
    } catch (InstantiationException e) {
      System.out.println("不能实例化");
      System.exit(1);
    } catch (IllegalAccessException e) {
      System.out.println("不能访问");
      System.exit(1);
    }
    printerInfo(obj.getClass());
  } 
}

上述代码中，forName方法是静态方法，参数是类名，用来查找是否存在该类，如果找到则返回一个Class引用，否则会抛出ClassNotFoundException异常。

如果类不是在默认文件夹下，而是在某个包下，前面的包名需要带上，比如这里的typeinfo.Derived。

可以通过getSuperclass方法来返回基类对应的Class对象。使用newInstance方法可以按默认构造创建一个实例对象，在不能实例化和不能访问时分别抛出。会抛出InstantiationException和IllegalAccessException异常。

Java还提供了一种方法来生成对Class对象的引用，即类字面常量。对上述程序来说，up等价于base.class。

对于基本数据类型的包装类来说，char.class等价于Character.TYPE，int.class等价于Integer.TYPE。其余的ab.class等价于Ab.TYPE。（比如void.class等价于Void.TYP）。另外，Java SE5开始int.class和Integer.class也是一回事。

泛化的Class引用，见下面代码

    Class intClass = int.class;
    Class genericIntClass = int.class;
    genericIntClass = Integer.class; // 等价
    intClass = double.class; // ok
    // genericIntClass = double.class; // Illegal!

Class对象的引用指定了Integer对象，所以不能将引用指向double.class。为了放松限制可以使用通配符?，即Class，效果跟Class是一样的，但是代码更为优雅，使用Class表示你并非是碰巧或疏忽才使用一个非具体的类引用。同时，可以限制继承的类，示例如下

class base {}
class Derived extends base {}
class base2 {}
public class Test {
  public static void main(String[] args) {
    Class cc = Derived.class; // ok
    // cc = base2.class; // Illegal
  } 
}

向Class引用添加泛型语法的原因仅仅是为了提供编译期类型检查，以便在编译时就能发现类型错误。

总结下来，我们已知的RTTI形式包括：

1、传统的类型转换，由RTTI保证类型转换的正确性，如果执行一个错误的类型转换，就会抛出ClassCastException异常；

2、代表对象的类型的Class对象，通过查询Class对象（即调用Class类的方法）可以获取运行时所需的信息。

在C++中经典的类型转换并不使用RTTI，这点具体见C++的RTTI部分。（说句题外话，以前学C++时看到RTTI这章只是随便扫了眼，现在才记起来dynamic_cast什么的都是为了类型安全而特地添加的，C++在安全方面可以提供选择性，就像Java的StringBuilder和StringBuffer，安全和效率不可兼得？而Java在类型安全上则更为强制，就像表达式x = 1不能被隐式转型为boolean类型）。

而Java中RTTI还有第3种形式，就是关键字instanceof，返回一个布尔值，告诉对象是不是某个特定类型的示例，见下列代码。

class base {}
class Derived extends base {}
public class Test {
  public static void main(String[] args) {
    Derived derived = new Derived();
    System.out.println(derived instanceof base); // 输出true
  } 
}

利用 instanceof 可以判断某些类型，比如基类Shape派生出各种类（Circle、Rectangle等），现在某方法要为所有Circle上色，而输入参数时一堆Shape对象，此时就可以用instandof判断该Shape对象是不是Circle对象。

RTTI可以识别程序空间的所有类，但是有时候需要从磁盘文件或网络文件中读取一串字节码，并且被告知这些字节代表一个类，就需要用到反射机制。

比如在IDE中创建图形化程序时会使用到一些控件，只需要从本地的控件对应class文件中读取即可，然后再主动修改这些控件的属性。（题外话：大概.net组件就是这样的？学C#时总听到反射，但总没感觉用过，前几天做.net项目的同学也跟我说他从来都没用过委托和事件……）

Class类与java.lang.reflect类库一起对反射的概念进行了支持，该类库包含Field、Method和Constructor类（每个类都实现了Member接口），这些类型的对象都是JVM在运行时创建的，用以表示未知类里对应成员。

这样就可以用Constructor创建未知对象，用get()和set()方法读取和修改与Field对象关联的字段，用invoke方法调用与Method对象关联的字段，等等。

// 使用反射展示类的所有方法, 即使方法是在基类中定义的
package typeinfo;
// Print类的print方法等价于System.Out.Println，方便减少代码量
import static xyz.util.Print.*;
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Method;
import java.util.regex.Pattern;
// {Args: typeinfo.ShowMethods}
public class ShowMethods {
  private static String usage = 
    "usage:n" +
    "ShowMethods qualified.class.namen" +
    "To show all methods in class or:n" +
    "ShowMethods qualified.class.name wordn" +
    "To search for methods involving 'word'";
  // 去掉类名前面的包名
  private static Pattern p = Pattern.compile("\w+\.");
  public static void main(String[] args) {
    if (args.length < 1) {
      print(usage);
      System.exit(0);
    }
    int lines = 0;
    try {
      Class c = Class.forName(args[0]);
      // 反射获得对象c所属类的方法
      Method[] methods = c.getMethods();
      // 反射获得对象c所属类的构造
      Constructor[] ctors = c.getConstructors();
      if (args.length == 1) {
 for (Method method : methods)
   print(p.matcher(method.toString()).replaceAll(""));
 for (Constructor ctor : ctors)
   print(p.matcher(ctor.toString()).replaceAll(""));
      }
    } catch (ClassNotFoundException e) {
      print("No such class: " + e);
    }
  } 
}

简单来说，反射机制就是识别未知类型的对象。反射常用于动态代理中。举例如下：

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;
class DynamicProxyHandler implements InvocationHandler {
  private Object proxied; // 代理对象
  public DynamicProxyHandler(Object proxied) {
    // TODO Auto-generated constructor stub
    this.proxied = proxied;
  }
  @Override
  public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
    // TODO Auto-generated method stub
    System.out.println("代理类: " + proxy.getClass() + "n"
 + "代理方法: " + method + "n"
 + "参数: " + args);
    if (args != null)
      for (Object arg : args)
 System.out.println(" " + arg);
    return method.invoke(proxied, args);
  }
}
interface Interface { void doSomething(); }

class RealObject implements Interface {
  
  @Override
  public void doSomething() {
    // TODO Auto-generated method stub
    System.out.println("doSomething");
  }
}
public class DynamicProxyDemo {
  public static void consumer(Interface iface) {
    iface.doSomething();
  }
  public static void main(String[] args) {
    RealObject realObject = new RealObject();
    // 使用动态代理
    Interface proxy = (Interface)Proxy.newProxyInstance(
 Interface.class.getClassLoader(),
 new Class[] { Interface.class }, 
 new DynamicProxyHandler(realObject));
    consumer(proxy);
  } 
}

代理是基本的设计模式之一，即用代理类为被代理类提供额外的或不同的操作。而动态代理则需要一个类加载器，就像Java实现RTTI时需要类加载器加载类的信息，这样就可以知道类的相关信息。

关键方法是：

Object java.lang.reflect.Proxy.newProxyInstance(ClassLoader loader, Class[] interfaces, InvocationHandler h) throws IllegalArgumentException

传入三个参数：代理接口的加载器（通过Class对象的getClassLoader方法获取），代理的方法接口，代理对象

前两个参数很好理解，就是要代理的方法所属的接口对应的Class对象（主语）的加载器和Class对象本身,主要是参数3，要设计一个实现InvocationHandler接口的类，作为代理对象，一般命名以Handler结尾，Handler翻译为处理者，很形象，就是代替原对象进行处理的处理者（即代理），在程序设计中经常被翻译成“句柄”。

这个类通过传入代理对象来构造，比如这里传入的是Object对象。然后必须覆盖invoke方法。

通过最后输出和invoke方法的具体实现可以发现，return method.invoke(proxied, args);是相当于原对象调用该方法（类似C++的回调函数？）

由于有类加载器，所以代理对象可以知道原对象的具体类名、方法、参数，本示例在调用方法前就输出了这些。

实际应用中可能会针对类名而有所选择。比如接口中有好多个类，你可以选择性的对特定的类、方法、参数进行处理

比如 if(proxied instanceof RealObject) {} 或者 if(method.getName.equals("doSomething")) {}

PS：我这个示例没有参数所以没有距离

参考：《Java编程思想》第四版，更多细节见书上第14章

总结

以上就是本文关于Java的RTTI和反射机制代码分析的全部内容，希望对大家有所帮助。