【面试】Java 反射机制（常见面试题）

前言

反射（Reflection） 是 Java 程序开发语言的特征之一，它允许运行中的 Java 程序对自身进行检查，或者说“自审”，并能直接操作程序的内部属性和方法。

反射是一项高级开发人员应该掌握的“黑科技”，其实反射并不是 Java 独有的，许多编程语言都提供了反射功能。在面试中面试官也经常对反射问题进行考察，反射是所有注解实现的原理，尤其在框架设计中，有不可替代的作用。关于反射，常见的面试考察点包括：

• 如何反射获取 Class 对象
• 如何反射获取类中的所有字段
• 如何反射获取类中的所有构造方法
• 如何反射获取类中的所有非构造方法

本篇我们就一起来学习一下 Java 反射机制。

一、反射是什么？

反射的概念是由 Smith 在 1982 年首次提出的，主要是指程序可以访问、检测和修改它本身状态或行为的一种能力。通俗地讲，一提到反射，我们就可以想到镜子。镜子可以明明白白地照出我是谁，还可以照出别人是谁。反映到程序中，反射就是用来让开发者知道这个类中有什么成员，以及别的类中有什么成员。

二、为什么要有反射

有的同学可能会疑惑，Java 已经有了封装为什么还要有反射呢？反射看起来像是破坏了封装性。甚至让私有变量都可以被外部访问到，使得类变得不那么安全了。我们来看一下 Oracle 官方文档中对反射的描述：

Uses of Reflection
Reflection is commonly used by programs which require the ability to examine or modify the runtime behavior of applications running in the Java virtual machine. This is a relatively advanced feature and should be used only by developers who have a strong grasp of the fundamentals of the language. With that caveat in mind, reflection is a powerful technique and can enable applications to perform operations which would otherwise be impossible.
Extensibility FeaturesAn application may make use of external, user-defined classes by creating instances of extensibility objects using their fully-qualified names.
Class Browsers and Visual Development EnvironmentsA class browser needs to be able to enumerate the members of classes. Visual development environments can benefit from making use of type information available in reflection to aid the developer in writing correct code.
Debuggers and Test ToolsDebuggers need to be able to examine private members on classes. Test harnesses can make use of reflection to systematically call a discoverable set APIs defined on a class, to insure a high level of code coverage in a test suite.

从 Oracle 官方文档中可以看出，反射主要应用在以下几方面：

• 反射让开发人员可以通过外部类的全路径名创建对象，并使用这些类，实现一些扩展的功能。
• 反射让开发人员可以枚举出类的全部成员，包括构造函数、属性、方法。以帮助开发者写出正确的代码。
• 测试时可以利用反射 API 访问类的私有成员，以保证测试代码覆盖率。

也就是说，Oracle 希望开发者将反射作为一个工具，用来帮助程序员实现本不可能实现的功能（perform operations which would otherwise be impossible）。正如《人月神话》一书中所言：软件工程没有银弹。很多程序架构，尤其是三方框架，无法保证自己的封装是完美的。如果没有反射，对于外部类的私有成员，我们将一筹莫展，所以我们有了反射这一后门，为程序设计提供了更大的灵活性。工具本身并没有错，关键在于如何正确地使用。

三、反射 API

Java 类的成员包括以下三类：属性字段、构造函数、方法。反射的 API 也是与这几个成员相关：

• Field 类：提供有关类的属性信息，以及对它的动态访问权限。它是一个封装反射类的属性的类。
• Constructor 类：提供有关类的构造方法的信息，以及对它的动态访问权限。它是一个封装反射类的构造方法的类。
• Method 类：提供关于类的方法的信息，包括抽象方法。它是用来封装反射类方法的一个类。
• Class 类：表示正在运行的 Java 应用程序中的类的实例。
• Object 类：Object 是所有 Java 类的父类。所有对象都默认实现了 Object 类的方法。

接下来，我们通过一个典型的例子来学习反射。先做准备工作，新建 com.test.reflection 包，在此包中新建一个 Student 类：

package com.test.reflection;public class Student {private String studentName;public int studentAge;public Student() {}private Student(String studentName) {this.studentName = studentName;}public void setStudentAge(int studentAge) {this.studentAge = studentAge;}private String show(String message) {System.out.println("show: " + studentName + "," + studentAge + "," + message);return "testReturnValue";}
}

可以看到，Student 类中有两个字段、两个构造方法、两个函数，且都是一个私有，一个公有。由此可知，这个测试类基本涵盖了我们平时常用的所有类成员。

3.1 获取 Class 对象的三种方式

获取 Class 对象有三种方式：

//1. 通过字符串获取Class对象，这个字符串必须带上完整路径名Class studentClass = Class.forName("com.test.reflection.Student");//2. 通过类的class属性
Class studentClass2 = Student.class;//3. 通过对象的getClass()函数
Student studentObject = new Student();
Class studentClass3 = studentObject.getClass();

• 第一种方法是通过类的全路径字符串获取 Class 对象，这也是我们平时最常用的反射获取 Class 对象的方法；
• 第二种方法有限制条件：需要导入类的包；
• 第三种方法已经有了 Student 对象，不再需要反射。

通过这三种方式获取到的 Class 对象是同一个，也就是说 Java 运行时，每一个类只会生成一个 Class 对象。

我们将其打印出来测试一下：

System.out.println("class1 = " + studentClass + "\n" +"class2 = " + studentClass2 + "\n" +"class3 = " + studentClass3 + "\n" +"class1 == class2 ? " + (studentClass == studentClass2) + "\n" +"class2 == class3 ? " + (studentClass2 == studentClass3));

运行程序，输出如下：

class1 = class com.test.reflection.Student
class2 = class com.test.reflection.Student
class3 = class com.test.reflection.Student
class1 == class2 ? true
class2 == class3 ? true

OK，拿到 Class 对象之后，我们就可以为所欲为啦！

3.2 获取成员变量

获取字段有两个 API：getDeclaredFields和getFields。他们的区别是:getDeclaredFields用于获取所有声明的字段，包括公有字段和私有字段，getFields仅用来获取公有字段：

//1. 获取所有声明的字段Field[] declaredFieldList = studentClass.getDeclaredFields();
for (Field declaredField : declaredFieldList) {System.out.println("declared Field: " + declaredField);
}//2. 获取所有公有的字段
Field[] fieldList = studentClass.getFields();
for (Field field : fieldList) {System.out.println("field: " + field);
}

运行程序，输出如下：

declared Field: private java.lang.String com.test.reflection.Student.studentName
declared Field: public int com.test.reflection.Student.studentAge
field: public int com.test.reflection.Student.studentAge

3.3 获取构造方法

获取构造方法同样包含了两个 API：用于获取所有构造方法的 getDeclaredConstructors和用于获取公有

构造方法的getConstructors:// 1.获取所有声明的构造方法
Constructor[] declaredConstructorList = studentClass.getDeclaredConstructors();
for (Constructor declaredConstructor : declaredConstructorList) {System.out.println("declared Constructor: " + declaredConstructor);
}
// 2.获取所有公有的构造方法
Constructor[] constructorList = studentClass.getConstructors();
for (Constructor constructor : constructorList) {System.out.println("constructor: " + constructor);
}

运行程序，输出如下：

declared Constructor: public com.test.reflection.Student()
declared Constructor: private com.test.reflection.Student(java.lang.String)
constructor: public com.test.reflection.Student()

3.4.获取非构造方法

同样地，获取非构造方法的两个 API 是：获取所有声明的非构造函数的 getDeclaredMethods 和仅获取公有非构造函数的 getMethods：

// 1.获取所有声明的函数
Method[] declaredMethodList = studentClass.getDeclaredMethods();
for (Method declaredMethod : declaredMethodList) {System.out.println("declared Method: " + declaredMethod);
}
// 2.获取所有公有的函数
Method[] methodList = studentClass.getMethods();
for (Method method : methodList) {System.out.println("method: " + method);
}

运行程序，输出如下：

declared Method: public void com.test.reflection.Student.setStudentAge(int)
declared Method: private java.lang.String com.test.reflection.Student.show(java.lang.String)
method: public void com.test.reflection.Student.setStudentAge(int)
method: public final void java.lang.Object.wait(long,int) throws java.lang.InterruptedException
method: public final native void java.lang.Object.wait(long) throws java.lang.InterruptedException
method: public final void java.lang.Object.wait() throws java.lang.InterruptedException
method: public boolean java.lang.Object.equals(java.lang.Object)
method: public java.lang.String java.lang.Object.toString()
method: public native int java.lang.Object.hashCode()
method: public final native java.lang.Class java.lang.Object.getClass()
method: public final native void java.lang.Object.notify()
method: public final native void java.lang.Object.notifyAll()

从输出中我们看到，getMethods 方法不仅获取到了我们声明的公有方法setStudentAge，还获取到了很多 Object 类中的公有方法。这是因为我们前文已说到：Object 是所有 Java 类的父类。所有对象都默认实现了 Object 类的方法。 而getDeclaredMethods是无法获取到父类中的方法的。

四、实践

学以致用，让我们来一个实际的应用感受一下。还是以 Student 类为例，如果此类在其他的包中，并且我们的需求是要在程序中通过反射获取他的构造方法，构造出 Student 对象，并且通过反射访问他的私有字段和私有方法。那么我们可以这样做：

// 1.通过字符串获取Class对象，这个字符串必须带上完整路径名
Class studentClass = Class.forName("com.test.reflection.Student");
// 2.获取声明的构造方法，传入所需参数的类名，如果有多个参数，用','连接即可
Constructor studentConstructor = studentClass.getDeclaredConstructor(String.class);
// 如果是私有的构造方法，需要调用下面这一行代码使其可使用，公有的构造方法则不需要下面这一行代码
studentConstructor.setAccessible(true);
// 使用构造方法的newInstance方法创建对象，传入构造方法所需参数，如果有多个参数，用','连接即可
Object student = studentConstructor.newInstance("NameA");
// 3.获取声明的字段，传入字段名
Field studentAgeField = studentClass.getDeclaredField("studentAge");
// 如果是私有的字段，需要调用下面这一行代码使其可使用，公有的字段则不需要下面这一行代码
// studentAgeField.setAccessible(true);
// 使用字段的set方法设置字段值，传入此对象以及参数值
studentAgeField.set(student,10);
// 4.获取声明的函数，传入所需参数的类名，如果有多个参数，用','连接即可
Method studentShowMethod = studentClass.getDeclaredMethod("show",String.class);
// 如果是私有的函数，需要调用下面这一行代码使其可使用，公有的函数则不需要下面这一行代码
studentShowMethod.setAccessible(true);
// 使用函数的invoke方法调用此函数，传入此对象以及函数所需参数，如果有多个参数，用','连接即可。函数会返回一个Object对象，使用强制类型转换转成实际类型即可
Object result = studentShowMethod.invoke(student,"message");
System.out.println("result: " + result);

程序的逻辑注释已经写得很清晰了，我们再梳理一下：

1. 先用第一种全路径获取 Class 的方法获取到了 Student 的 Class 对象
2. 然后反射调用它的私有构造方法 private Student(String studentName)，构建出 newInstance
3. 再将其公有字段 studentAge 设置为 10
4. 最后反射调用其私有方法 show，传入参数 “message”，并打印出这个方法的返回值。

其中，setAccessible 函数用于动态获取访问权限，Constructor、Field、Method 都提供了此方法，让我们得以访问类中的私有成员。

运行程序，输出如下：

show: NameA,10,message
result: testReturnValue

五、常见面试题

5.1. 什么是反射？

反射是在运行状态中，对于任意一个类，都能够知道这个类的所有属性和方法；对于任意一个对象，都能够调用它的任意一个方法和属性；这种动态获取的信息以及动态调用对象的方法的功能称为 Java 语言的反射机制。

5.2. 哪里用到反射机制？

• JDBC中，利用反射动态加载了数据库驱动程序。
• Web服务器中利用反射调用了Sevlet的服务方法。
• Eclispe等开发工具利用反射动态刨析对象的类型与结构，动态提示对象的属性和方法。
• 很多框架都用到反射机制，注入属性，调用方法，如Spring。

5.3. 什么叫对象序列化，什么是反序列化，实现对象序列化需要做哪些工作？

• 对象序列化，将对象中的数据编码为字节序列的过程。
• 反序列化；将对象的编码字节重新反向解码为对象的过程。
• JAVA提供了API实现了对象的序列化和反序列化的功能，使用这些API时需要遵守如下约定：
  • 被序列化的对象类型需要实现序列化接口，此接口是标志接口，没有声明任何的抽象方法，JAVA编译器识别这个接口，自动的为这个类添加序列化和反序列化方法。
  • 为了保持序列化过程的稳定，建议在类中添加序列化版本号。
  • 不想让字段放在硬盘上就加transient
• 以下情况需要使用 Java 序列化：
  • 想把的内存中的对象状态保存到一个文件中或者数据库中时候；
  • 想用套接字在网络上传送对象的时候；
  • 想通过RMI（远程方法调用）传输对象的时候。

5.4. 反射机制的优缺点？

• 优点：可以动态执行，在运行期间根据业务功能动态执行方法、访问属性，最大限度发挥了java的灵活性。
• 缺点：对性能有影响，这类操作总是慢于直接执行java代码。

5.5. 动态代理是什么？有哪些应用？

• 动态代理是运行时动态生成代理类。
• 动态代理的应用有 Spring AOP数据查询、测试框架的后端 mock、rpc，Java注解对象获取等。

5.6. 怎么实现动态代理？

• JDK 原生动态代理和 cglib 动态代理。
• JDK 原生动态代理是基于接口实现的，而 cglib 是基于继承当前类的子类实现的。

5.7. Java反射机制的作用

• 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

5.8. 如何使用Java的反射?

• 通过一个全限类名创建一个对象
  • Class.forName(“全限类名”); 例如：com.mysql.jdbc.Driver Driver类已经被加载到 jvm中，并且完成了-类的初始化工作就行了
  • 类名.class; 获取Class<？> clz 对象
  • 对象.getClass();
• 获取构造器对象，通过构造器new出一个对象
  • Clazz.getConstructor([String.class]);
  • Con.newInstance([参数]);
• 通过class对象创建一个实例对象（就相当与new类名（）无参构造器)
  • Cls.newInstance();
• 通过class对象获得一个属性对象
  • Field c=cls.getFields()：获得某个类的所有的公共（public）的字段，包括父类中的字段。
  • Field c=cls.getDeclaredFields()：获得某个类的所有声明的字段，即包括public、private和proteced，但是不包括父类的声明字段
• 通过class对象获得一个方法对象
  • Cls.getMethod(“方法名”,class……parameaType);（只能获取公共的）
  • Cls.getDeclareMethod(“方法名”);（获取任意修饰的方法，不能执行私有）
  • M.setAccessible(true);（让私有的方法可以执行）
• 让方法执行
  • . Method.invoke(obj实例对象,obj可变参数);-----（是有返回值的）