「深入Java」类型信息:RTTI和反射

1.RTTI Run-Time Type Infomation 运行时类型信息

为什么需要RTTI?

越是优秀的面向对象设计,越是强调高内聚低耦合,正如依赖倒转原则所说:“无论是高层模块还是低层模块,都应该针对抽象编程”。

比如说我们有一个抽象父类:

Shape draw()

以下是三个具体类:

Circle draw()
Square draw()
Triangle draw()

某些情况下,我们持有Shape,但却远远不够——因为我们想要针对它的具体类型进行特殊处理,然而我们的设计完全针对抽象,所以在当前上下文环境中无法判断具体类型。
因为RTTI的存在,使得我们在不破坏设计的前提下得以达到目的。


Class类与Class对象

事实上,每一个类都持有其对应的Class类的对象的引用(Object类中的getClass()能让我们获取到它),其中包含着与类相关的信息。
非常容易注意到,针对每一个类,编译Java文件会生成一个二进制.class文件,这其中就保存着该类对应的Class对象的信息。

.class是用于供类加载器使用的文件

Java程序在运行之前并没有被完全加载,各个部分是在需要时才被加载的。

为了使用类而作的准备包含三步:

  1. 加载。由类加载器执行,查找字节码,创建一个Class对象。
  2. 链接。验证字节码,为静态域分配存储空间,如果必需的话,会解析这个类创建的对其他类的所有引用(比如说该类持有static域)。
  3. 初始化。如果该类有超类,则对其初始化,执行静态初始化器[注]和静态初始化块。

注:原文为static initializers,经查看Thinking in Java,其意应为静态域在定义处的初始化,如:
static Dog d = new Dog(0);

所有的类都是在对其第一次使用时,动态加载到JVM中去的。当程序创建第一个对类的静态成员的引用时,JVM会使用类加载器来根据类名查找同名的.class——一旦某个类的Class对象被载入内存,它就被用来创建这个类的所有对象。构造器也是类的静态方法,使用new操作符创建新对象会被当作对类的静态成员的引用。
注意特例:如果一个static final值是编译期常量,读取这个值不需要对类进行初始化。所以说对于不变常量,我们总是应该使用static final修饰。


Class.forName(String str)

Class类有一个很有用的静态方法forName(String str),可以让我们对于某个类不进行创建就得到它的Class对象的引用,例如这个样子:

try {
     Class toyClass = Class.forName("com.duanze.Toy"); // 注意必须使用全限定名
} catch (ClassNotFoundException e) {

}

然而,使用forName(String str)有一个副作用:如果Toy类没有被加载,调用它会触发Toy类的static子句(静态初始化块)。

与之相比,更好用的是类字面常量,像是这样:

Class toyClass = Toy.class;

支持编译时检查,所以不会抛出异常。使用类字面常量创建Class对象的引用与forName(String str)不同,不会触发Toy类的static子句(静态初始化块)。所以,更简单更安全更高效。
类字面常量支持类、接口、数组、基本数据类型。


×拓展×

Class.forName(String className)使用装载当前类的类装载器来装载指定类。因为class.forName(String className)方法内部调用了Class.forName(className, true, this.getClass().getClassLoader())方法,如你所见,第三个参数就是指定类装载器,显而易见,它指定的是装载当前类的类装载器的实例,也就是this.getClass().getClassLoader();

你可以选择手动指定装载器:

ClassLoader cl = new  ClassLoader();   
Class c1 = cl.loadClass(String className, boolean resolve );

更详细的参考


范化的Class引用

通过范型以及通配符,我们能对Class对象的引用进行类型限定,像是:

Class<Integer> intClass = int.class; // 注意右边是基本数据类型的类字面常量

这样做的好处是能让编译器进行额外的类型检查。
知道了这一点以后,我们可以把之前的例子改写一下:

Class toyClass = Toy.class;
Class<?> toyClass = Toy.class;

虽然这两句是等价的,但从可读性来说Class<?>要优于Class,这说明编程者并不是由于疏忽而选择了非具体版本,而是特意选择了非具体版本。


Class.newInstance()

既然拿到了包含着类信息的Class对象的引用,我们理应可以构造出一个类的实例。Class.newInstance()就是这样一个方法,比如:

// One
try {
    Class<?> toyClass = Class.forName("com.duanze.Toy"); 
    Object obj = toyClass.newInstance();
} catch (ClassNotFoundException e) {

}

// Two
Class<?> toyClass = Toy.class;
Object obj = toyClass.newInstance();

使用newInstance()创建的类,必须带有默认构造器。
由于toyClass仅仅只是一个Class对象引用,在编译期不具备更进一步的类型信息,所以你使用newInstance()时只会得到一个Object引用。如果你需要拿到确切类型,需要这样做:

Class<Toy> toyClass = Toy.class;
Toy obj = toyClass.newInstance();

但是,如果你遇到下面的情况,还是只能拿到Object引用:

Class<SubToy> subToyClass = SubToy.class;
Class<? super SubToy> upClass = subToy.getSuperclass(); // 希望拿到SubToy的父类Toy的Class对象引用
// This won't compile:
// Class<Toy> upClass = subToy.getSuperclass();
// Only produces Object:
Object obj = upClass.newInstance();

虽然从常理上来讲,编译器应该在编译期就能知道SubToy的超类是Toy,但实际上却并不支持这样写:

// This won't compile:
Class<Toy> upClass = subToy.getSuperclass();

而只能够接受:

Class<? super SubToy> upClass = subToy.getSuperclass(); // 希望拿到SubToy的父类Toy

这看上去有些奇怪,但现状就是如此,我们惟有接受。好在这并不是什么大问题,因为转型操作并不困难。


类型检查

在进行类型转换之前,可以使用instanceof关键字进行类型检查,像是:

if ( x instanceof Shape ) {
     Shape s = (Shape)x;
}

一般情况下instanceof已经够用,但有些时候你可能需要更动态的测试途径:Class.isInstance(Class clz):

Class<Shape> s = Shape.class;
s.isInstance(x);

可以看到,与instanceof相比,isInstance()的左右两边都是可变的,这一动态性有时可以让大量包裹在if else...中的instanceof缩减为一句。


2.反射

不知道你注意到了没有,以上使用的RTTI都具有一个共同的限制:在编译时,编译器必须知道所有要通过RTTI来处理的类。

但有的时候,你获取了一个对象引用,然而其对应的类并不在你的程序空间中,怎么办?(这种情况并不少见,比如说你从磁盘文件或者网络中获取了一串字串,并且被告知这一串字串代表了一个类,这个类在编译器为你的程序生成代码之后才会出现。)

Class类和java.lang.reflect类库一同对反射的概念提供了支持。反射机制并没有什么神奇之处,当通过反射与一个未知类型的对象打交道时,JVM只是简单地检查这个对象,看它属于哪个特定的类。因此,那个类的.class对于JVM来说必须是可获取的,要么在本地机器上,要么从网络获取。所以对于RTTI和反射之间的真正区别只在于:

  • RTTI,编译器在编译时打开和检查.class文件
  • 反射,运行时打开和检查.class文件

明白了以上概念后,什么getFields(),getMethods(),getConstructors()之类的方法基本上全都可以望文生义了。

我们可以看一下Android开发中经常用的对于ActionBar,让Overflow中的选项显示图标这一效果是怎么做出来的:

/*
overflow中的Action按钮应不应该显示图标,
是由MenuBuilder这个类的setOptionalIconsVisible方法来决定的,
如果我们在overflow被展开的时候给这个方法传入true,
那么里面的每一个Action按钮对应的图标就都会显示出来了。
*/

@Override
public boolean onMenuOpened(int featureId, Menu menu) {
    if (featureId == Window.FEATURE_ACTION_BAR && menu != null) {
        if (menu.getClass().getSimpleName().equals("MenuBuilder")) {
            try {
                // Boolean.TYPE 同 boolean.class
                Method m = menu.getClass().getDeclaredMethod("setOptionalIconsVisible", Boolean.TYPE); 
                // 通过setAccessible(true),确保可以调用方法——即使是private方法
                m.setAccessible(true);
                // 相当于:menu.setOptionalIconsVisible(true) 
                m.invoke(menu, true);
            } catch (Exception e) {
            }
        }
    }
    return super.onMenuOpened(featureId, menu);
}

×拓展:动态代理×

Java中对于反射的一处重要使用为动态代理,可以参考这篇IBM developerworks的文章


参考资料



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