类加载机制与反射

Class反射机制

  • 指的是可以于运行时加载,探知和使用编译期间完全未知的类.
  • 程序在运行状态中, 可以动态加载一个只有名称的类,
    对于任意一个已经加载的类,都能够知道这个类的所有属性和方法;
    对于任意一个对象,都能调用他的任意一个方法和属性;
  • 加载完类之后,
    在堆内存中会产生一个Class类型的对象(一个类只有一个Class对象),
    这个对象包含了完整的类的结构信息,而且这个Class对象就像一面镜子,透过这个镜子看到类的结构,所以被称之为:反射。

Instances of the class Class represent classes and interfaces in a
running Java application. An enum is a kind of class and an annotation
is a kind of interface. Every array also belongs to a class that is
reflected as a Class object that is shared by all arrays with the same
element type and number of dimensions(维度). The primitive Java types
(boolean, byte, char, short, int, long, float, anddouble), and the
keyword void are also represented as Class objects.

  • 每个类被加载进入内存之后,系统就会为该类生成一个对应的java.lang.Class对象,通过该Class对象就可以访问到JVM中的这个类.

3.4.1 创建对象

通过反射生成对象有两种方式。

  • 使用Class对象的newInstance()方法来创建该Class对象对应类的实例,这种方式要求该Class对象的对应类有默认构造器。
  • 先使用Class对象获取指定的Constructor对象,在调用Constructor对象的newInstance()方法来创建该Class对象对应类的实例。

创建对象

通过反射来生成对象的方式有两种:

  • 使用Class对象的newInstance()方法来创建该Class对象对应类的实例(这种方式要求该Class对象的对应类有默认构造器).
  • 先使用Class对象获取指定的Constructor对象,
    再调用Constructor对象的newInstance()方法来创建该Class对象对应类的实例(通过这种方式可以选择指定的构造器来创建实例).

通过第一种方式来创建对象比较常见,
像Spring这种框架都需要根据配置文件(如applicationContext.xml)信息来创建Java对象,从配置文件中读取的只是某个类的全限定名字符串,程序需要根据该字符串来创建对应的实例,就必须使用默认的构造器来反射对象.
下面我们就模拟Spring实现一个简单的对象池,
该对象池会根据文件读取key-value对, 然后创建这些对象, 并放入Map中.

配置文件

{
  "objects": [
    {
      "id": "id1",
      "class": "com.fq.domain.User"
    },
    {
      "id": "id2",
      "class": "com.fq.domain.Bean"
    }
  ]
}

ObjectPool

/**
 * Created by jifang on 15/12/31.
 */
public class ObjectPool {

    private Map<String, Object> pool;

    private ObjectPool(Map<String, Object> pool) {
        this.pool = pool;
    }

    private static Object getInstance(String className) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {
        return Class.forName(className).newInstance();
    }

    private static JSONArray getObjects(String config) throws IOException {
        Reader reader = new InputStreamReader(ClassLoader.getSystemResourceAsStream(config));
        return JSONObject.parseObject(CharStreams.toString(reader)).getJSONArray("objects");
    }

    // 根据指定的JSON配置文件来初始化对象池
    public static ObjectPool init(String config) {
        try {
            JSONArray objects = getObjects(config);
            ObjectPool pool = new ObjectPool(new HashMap<String, Object>());
            if (objects != null && objects.size() != 0) {
                for (int i = 0; i < objects.size(); ++i) {
                    JSONObject object = objects.getJSONObject(i);
                    if (object == null || object.size() == 0) {
                        continue;
                    }
                    String id = object.getString("id");
                    String className = object.getString("class");

                    pool.putObject(id, getInstance(className));
                }
            }
            return pool;
        } catch (IOException | ClassNotFoundException | InstantiationException | IllegalAccessException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public Object getObject(String id) {
        return pool.get(id);
    }

    public void putObject(String id, Object object) {
        pool.put(id, object);
    }

    public void clear() {
        pool.clear();
    }
}

Client

public class Client {

    @Test
    public void client() {
        ObjectPool pool = ObjectPool.init("config.json");
        User user = (User) pool.getObject("id1");
        System.out.println(user);

        Bean bean = (Bean) pool.getObject("id2");
        System.out.println(bean);
    }
}

User

public class User {

    private int id;
    private String name;
    private String password;

    public int getId() {
        return id;
    }

    public void setId(Integer id) {
        this.id = id;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getPassword() {
        return password;
    }

    public void setPassword(String password) {
        this.password = password;
    }

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

Bean

public class Bean {
    private Boolean usefull;
    private BigDecimal rate;
    private String name;

    public Boolean getUsefull() {
        return usefull;
    }

    public void setUsefull(Boolean usefull) {
        this.usefull = usefull;
    }

    public BigDecimal getRate() {
        return rate;
    }

    public void setRate(BigDecimal rate) {
        this.rate = rate;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Bean{" +
                "usefull=" + usefull +
                ", rate=" + rate +
                ", name='" + name + '/'' +
                '}';
    }
}

注意: 需要在pom.xml中添加如下依赖:

<dependency>
    <groupId>com.alibaba</groupId>
    <artifactId>fastjson</artifactId>
    <version>1.2.7</version>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>com.google.guava</groupId>
    <artifactId>guava</artifactId>
    <version>18.0</version>
</dependency>

3.4.2 调用方法

可以通过Class对象的getMethods()方法和getMethod()方法来获取全部方法和指定方法。

每个Method对象对应一个方法,可以通过它调用对应的方法,在Method里包含一个invoke()方法,该方法的签名如下。

  • Object invoke(Object obj,Object…
    args):该方法中的obj是执行该方法的主调,后面的args是执行该方法时传入该方法的实参。

下面程序是对象池工厂加强版,它允许在配置文件中增加配置对象的成员变量的值,对象池工厂会读取为该对象配置的成员变量值,并利用该对象的Setter方法设置成员变量的值。

package com.gdut.test0516;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Properties;

public class ExtendedObjectPoolFactory {
    //定义一个对象池,前面是对象名,后面是实际对象
    private Map<String,Object> objectPool = new HashMap<>();
    private Properties config = new Properties();

    public void init(String fileName)
    {
        try(FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName))
        {
            config.load(fis);
        }catch(IOException ex){
            System.out.println("读取"+fileName+"异常");
        }
    }

   private Object createObject(String clazzName)throws ClassNotFoundException,
           InstantiationException,IllegalAccessException{
        Class<?> clazz = Class.forName(clazzName);
        //使用clazz默认构造器创建实例
        return clazz.newInstance();
   }


   public void initPool()throws ClassNotFoundException,
           InstantiationException,IllegalAccessException{
       for (String name:config.stringPropertyNames())
       {
           //没取出一个key-value对。如果key中不包含百分号(%),即可认为该key用于
           // 控制调用对象的setter方法设置值,%前半为对象名字,后半控制setter方法名
       if( !name.contains("%")){
           objectPool.put(name,createObject(config.getProperty(name)));
       }
       }
   }
   public Object getObject(String name){
        return objectPool.get(name);
   }

   public void initProperty()throws NoSuchMethodException,
   IllegalAccessException,InvocationTargetException {
       for (String name:config.stringPropertyNames()) {
           if(name.contains("%")){
               String[] objAndProp = name.split("%");
               Object target = getObject(objAndProp[0]);
               String mtdName = "set"+objAndProp[1].substring(1);
               Class<?> targetClass = target.getClass();
               Method mtd = targetClass.getMethod(mtdName);
               mtd.invoke(target,config.getProperty(name));
           }
       }
   }

    public static void main(String[] args)throws Exception {
        ExtendedObjectPoolFactory epf = new ExtendedObjectPoolFactory();
        epf.init("com/gdut/test0516/extObj.txt");
        epf.initPool();
        epf.initProperty();
        System.out.println(epf.getObject("a"));
    }
}

动态语言

动态语言,是指程序在运行时可以改变其结构:新的函数可以被引进,已有的函数可以被删除等在结构上的变化。比如众所周知的ECMAScript(JavaScript)便是一个动态语言。除此之外如Ruby、Python等也都属于动态语言,而C、C++等语言则不属于动态语言。(引自:
百度百科)

var execString = "alert(Math.floor(Math.random()*10));";
eval(execString);

  3.1 获得class对象

每个类被加载后,系统会为该类生成一个对应的Class对象,通过该Class对象可以访问到JVM中的这个类。获得Class对象通常三种方式

  1. 使用Class类的forName(String
    clazz)静态方法。字符串参数传入全限定类名(必须添加包名),可能会抛出ClassNotFoundexception异常。
  2. 调用某个类的class属性来获取该类的的Class对象。
  3. 调用某个对象的getClass()方法,该方法是Object类的一个方法。

对于第一种方式,第二种的优势:

  • 代码更安全。程序在编译阶段就可以检查需要访问的Class对象是否存在。
  • 程序性能更好。这的种方式无需调用方法,所以性能更好。

调用方法

当获取到某个类对应的Class对象之后,
就可以通过该Class对象的getMethod来获取一个Method数组或Method对象.每个Method对象对应一个方法,在获得Method对象之后,就可以通过调用invoke方法来调用该Method对象对应的方法.

@CallerSensitive
public Object invoke(Object obj, Object... args)
    throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
       InvocationTargetException
{
    ...
}

下面我们对上面的对象池加强:可以看到Client获取到的对象的成员变量全都是默认值,既然我们已经使用了JSON这么优秀的工具,我们又学习了动态调用对象的方法,那么我们就通过配置文件来给对象设置值(在对象创建时),
新的配置文件形式如下:

{
  "objects": [
    {
      "id": "id1",
      "class": "com.fq.domain.User",
      "fields": [
        {
          "name": "id",
          "value": 101
        },
        {
          "name": "name",
          "value": "feiqing"
        },
        {
          "name": "password",
          "value": "ICy5YqxZB1uWSwcVLSNLcA=="
        }
      ]
    },
    {
      "id": "id2",
      "class": "com.fq.domain.Bean",
      "fields": [
        {
          "name": "usefull",
          "value": true
        },
        {
          "name": "rate",
          "value": 3.14
        },
        {
          "name": "name",
          "value": "bean-name"
        }
      ]
    },
    {
      "id": "id3",
      "class": "com.fq.domain.ComplexBean",
      "fields": [
        {
          "name": "name",
          "value": "complex-bean-name"
        },
        {
          "name": "refBean",
          "ref": "id2"
        }
      ]
    }
  ]
}

其中fields代表该Bean所包含的属性, name为属性名称, value为属性值(属性类型为JSON支持的类型), ref代表引用一个对象(也就是属性类型为Object,但是一定要引用一个已经存在了的对象)

/**
 * @author jifang
 * @since 15/12/31下午4:00
 */
public class ObjectPool {

    private Map<String, Object> pool;

    private ObjectPool(Map<String, Object> pool) {
        this.pool = pool;
    }

    private static JSONArray getObjects(String config) throws IOException {
        Reader reader = new InputStreamReader(ClassLoader.getSystemResourceAsStream(config));
        return JSONObject.parseObject(CharStreams.toString(reader)).getJSONArray("objects");
    }

    private static Object getInstance(String className, JSONArray fields)
            throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException,
            IllegalAccessException, InstantiationException, InvocationTargetException {

        // 配置的Class
        Class<?> clazz = Class.forName(className);
        // 目标Class的实例对象
        Object targetObject = clazz.newInstance();
        if (fields != null && fields.size() != 0) {
            for (int i = 0; i < fields.size(); ++i) {
                JSONObject field = fields.getJSONObject(i);
                // 需要设置的成员变量名
                String fieldName = field.getString("name");

                // 需要设置的成员变量的值
                Object fieldValue;
                if (field.containsKey("value")) {
                    fieldValue = field.get("value");
                } else if (field.containsKey("ref")) {
                    String refBeanId = field.getString("ref");
                    fieldValue = OBJECTPOOL.getObject(refBeanId);
                } else {
                    throw new RuntimeException("neither value nor ref");
                }

                String setterName = "set" +
                        fieldName.substring(0, 1).toUpperCase() +
                        fieldName.substring(1);
                // 需要设置的成员变量的setter方法
                Method setterMethod = clazz.getMethod(setterName, fieldValue.getClass());
                // 调用setter方法将值设置进去
                setterMethod.invoke(targetObject, fieldValue);
            }
        }

        return targetObject;
    }

    private static ObjectPool OBJECTPOOL;

    // 创建一个对象池的实例(保证是多线程安全的)
    private static void initSingletonPool() {
        if (OBJECTPOOL == null) {
            synchronized (ObjectPool.class) {
                if (OBJECTPOOL == null) {
                    OBJECTPOOL = new ObjectPool(new ConcurrentHashMap<String, Object>());
                }
            }
        }
    }

    // 根据指定的JSON配置文件来初始化对象池
    public static ObjectPool init(String config) {
        // 初始化pool
        initSingletonPool();

        try {
            JSONArray objects = getObjects(config);
            for (int i = 0; objects != null && i < objects.size(); ++i) {
                JSONObject object = objects.getJSONObject(i);
                if (object == null || object.size() == 0) {
                    continue;
                }
                String id = object.getString("id");
                String className = object.getString("class");

                // 初始化bean并放入池中
                OBJECTPOOL.putObject(id, getInstance(className, object.getJSONArray("fields")));
            }
            return OBJECTPOOL;
        } catch (IOException | ClassNotFoundException |
                InstantiationException | IllegalAccessException |
                NoSuchMethodException | InvocationTargetException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public Object getObject(String id) {
        return pool.get(id);
    }

    public void putObject(String id, Object object) {
        pool.put(id, object);
    }

    public void clear() {
        pool.clear();
    }
}

Client

public class Client {

    @Test
    public void client() {
        ObjectPool pool = ObjectPool.init("config.json");
        User user = (User) pool.getObject("id1");
        System.out.println(user);

        Bean bean = (Bean) pool.getObject("id2");
        System.out.println(bean);

        ComplexBean complexBean = (ComplexBean) pool.getObject("id3");
        System.out.println(complexBean);
    }
}

ComplexBean

public class ComplexBean {

    private String name;

    private Bean refBean;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Bean getRefBean() {
        return refBean;
    }

    public void setRefBean(Bean refBean) {
        this.refBean = refBean;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "ComplexBean{" +
                "name='" + name + '/'' +
                ", refBean=" + refBean +
                '}';
    }
}

Spring框架就是通过这种方式将成员变量值以及依赖对象等都放在配置文件中进行管理的,从而实现了较好地解耦(不过Spring是通过XML作为配置文件).

  1.1. JVM和类

当调用Java命令运行某个Java程序时,该命令将会启动一个Java虚拟机进程。不管Java程序多么复杂,启动多少个线程,它们都处于该Java虚拟机进程里,都是使用同一个Java进程内存区。

JVM程序终止的方式:

  • 程序运行到最后正常结束
  • 程序运行到使用System.exit()或Runtime.getRuntime().exit()代码处结束程序
  • 程序执行过程中遇到未捕获的异常或错误而结束
  • 程序所在平台强制结束了JVM进程

JVM进程结束,该进程所在内存中的状态将会丢失

使用反射获取注解

使用反射获取注解信息的相关介绍,
请参看我的博客Java注解实践

  3.4 利用反射生成并操作对象

Class对象可以获得该类的方法,构造器,成员变量。程序可以通过Method对象来执行对应的方法,通过ConStructor对象调用对应的构造器创建实例,能通过Field对象直接访问并修改对象的成员变量值。

澳门新葡亰3522平台游戏,Class对象的获取

  • 对象的getClass()方法;
  • 类的.class(最安全/性能最好)属性;
  • 运用Class.forName(String className)动态加载类,className需要是类的全限定名(最常用).

  3.4.3 访问成员变量

通过Class对象的getFields()方法和getField()方法可以获取该类包含的所有成员变量和指定成员变量。Field提供如下方法读取或设置成员变量值

  • getXxx(Object
    obj):获取Object对象的成员变量值。此处的Xxx对应8种基本类型,如果该成员变量类型时引用类型,则取消get后面的Xxx。
  • setXxx(Object obj,Xxx
    val):将obj对象的该成员变量设置成val值。此处的Xxx对应8种基本类型,如果该成员变量类型时引用类型,则取消set后面的Xxx。

3.4.4 操作数组

在java.lang.reflect包下还提供了一个Array类,Array对象可以代表所有的数组。程序可以通过使用该类来创建数组,操作数组元素等。

Array提供如下方法

  • static Object newInstance(Class<?>ComponentType,int…
    length):创建一个具有指定的元素类型,指定维度的新数组
  • static xxx getXxx(Object array,int
    index):返回数组array的第index个元素。此处的xxx对应8种基本类型,如果数组元素是引用类型,则该方法变为get(Object
    array,int index)。
  • static void setXxx(Object array,int index,Object
    val):将数组array的第index个元素设置为val。此处的xxx对应8种基本类型,如果数组元素是引用类型,则该方法变为set(Object
    array,int index,Object val)。

 

使用反射获取泛型信息

为了通过反射操作泛型以迎合实际开发的需要,
Java新增了java.lang.reflect.ParameterizedType java.lang.reflect.GenericArrayType``java.lang.reflect.TypeVariable java.lang.reflect.WildcardType几种类型来代表不能归一到Class类型但是又和原始类型同样重要的类型.

类型 含义
ParameterizedType 一种参数化类型, 比如Collection<String>
GenericArrayType 一种元素类型是参数化类型或者类型变量的数组类型
TypeVariable 各种类型变量的公共接口
WildcardType 一种通配符类型表达式, 如? ? extends Number ? super Integer

其中, 我们可以使用ParameterizedType来获取泛型信息.

public class Client {

    private Map<String, Object> objectMap;

    public void test(Map<String, User> map, String string) {
    }

    public Map<User, Bean> test() {
        return null;
    }

    /**
     * 测试属性类型
     *
     * @throws NoSuchFieldException
     */
    @Test
    public void testFieldType() throws NoSuchFieldException {
        Field field = Client.class.getDeclaredField("objectMap");
        Type gType = field.getGenericType();
        // 打印type与generic type的区别
        System.out.println(field.getType());
        System.out.println(gType);
        System.out.println("**************");
        if (gType instanceof ParameterizedType) {
            ParameterizedType pType = (ParameterizedType) gType;
            Type[] types = pType.getActualTypeArguments();
            for (Type type : types) {
                System.out.println(type.toString());
            }
        }
    }

    /**
     * 测试参数类型
     *
     * @throws NoSuchMethodException
     */
    @Test
    public void testParamType() throws NoSuchMethodException {
        Method testMethod = Client.class.getMethod("test", Map.class, String.class);
        Type[] parameterTypes = testMethod.getGenericParameterTypes();
        for (Type type : parameterTypes) {
            System.out.println("type -> " + type);
            if (type instanceof ParameterizedType) {
                Type[] actualTypes = ((ParameterizedType) type).getActualTypeArguments();
                for (Type actualType : actualTypes) {
                    System.out.println("/tactual type -> " + actualType);
                }
            }
        }
    }

    /**
     * 测试返回值类型
     *
     * @throws NoSuchMethodException
     */
    @Test
    public void testReturnType() throws NoSuchMethodException {
        Method testMethod = Client.class.getMethod("test");
        Type returnType = testMethod.getGenericReturnType();
        System.out.println("return type -> " + returnType);

        if (returnType instanceof ParameterizedType) {
            Type[] actualTypes = ((ParameterizedType) returnType).getActualTypeArguments();
            for (Type actualType : actualTypes) {
                System.out.println("/tactual type -> " + actualType);
            }
        }
    }
}

  2.2 类加载机制

JVM类加载机制主要有三种

  • 全盘负责。就是当类加载器负责加载某个Class时,该Class所依赖的和所引用的其他Class也将由该类加载器负责载入,除非显式使用另外一个类加载器来载入
  • 父类委托。所谓父类委托,就是先让父类加载器试图加载该Class。只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类
  • 缓存机制。缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存,当程序需要使用时,先从缓存中搜索该Class,当缓存中不存在该Class,系统菜才读取该类对应的二进制数据,并将其转为Class对象,存入缓存区中。这就是为什么修改了Class后,必须重新启动JVM,程序所做的修改才会生效的原因。

类加载器加载Class大致经过8个步骤

  1. 检测此Class是否载入过(即缓存区中是否有此Class),如果有则直接进入第8步,否者接着第2步
  2. 如果父类加载器(父类      gt+
    加载器,要么Parent一定是跟类加载器,要么本身就是跟类加载器)不存在,则调到第4步执行
  3. 请求使用父类加载器载入目标类,如果成功载入调到第8步
  4. 请求使用跟类加载器来载入目标类
  5. 当前类加载器尝试寻找Class文件(从与此ClassLoader相关的类路径中寻找),如果找到则执行第6步,如果找不到执行第7步
  6. 从文件中载入Class,成功载入调到第8步
  7. 抛出ClassNotFoundException异常
  8. 返回对应的java.lang.Class对象

其中,第5、6步允许重写ClassLoader的findClass()方法来实现自己的载入策略,甚至重写loadClass()方法来实现自己的载入过程。