Java泛型机制与反射原理相关知识总结

一、泛型的概念

1.1 基础案例

泛型在Java中的应用非常广泛,最常见则是在集合容器中,先看下基础用法:

public class Generic01 {
    public static void main(String[] args) {
        Map<Integer,String> map = new HashMap<>() ;
        map.put(88,"hello") ;
        // map.put("99","world") ; 输入编译错误
        String value = map.get(88) ;
        // Integer value = map.get(88) ; 输出编译错误
        System.out.println("value:"+value);
    }
}

声明一个map类型的容器,并且明确限定key和value的类型:分别为Integer,String,这样显然不能体现特别之处,可以对比下面的用法:

Map newMap = new HashMap() ;
newMap.put("hello","world");
newMap.put(88,99);

在不指定类型的情况下,键值对都默认为Object类型,这样的容器在使用的时候要时刻注意不同的key类型和取出的value值类型,并且value要做类型转换,相比之下泛型机制就很有必要。

可以看下Map接口的定义:

public interface Map<K,V> {
    V get(Object key);
    V put(K key, V value);
}

在Map接口中,<K,V>显然没有指定明确的类型,只是起到类型传递的作用,即K是key的类型,V是value的类型,在上面的源码中描述的很清楚,结合上面案例,在Map对象声明的时候可以明确指定<K,V>的类型,也可以缺省为Object类型。

1.2 泛型描述

泛型即可以理解为把数据类型作为参数,即参数化类型,用来提高代码的安全性,灵活性,避免类型转换;代码简洁明了,同时对于程序的可扩展性起到至关重要的作用。

首先设计一个简单的顶层接口,只定义一个callBack方法,和对出入参数的简单逻辑设定,这种设计在Java的源码设计中随处可见,例如上面的集合体系:

/**
 * 基础接口设计
 * @param <R> 返参类型
 * @param <V> 入参类型
 */
interface CallBack<R,V> {
    /**
     * 回调方法:V 方法入参 ,R 方法返回值
     */
    R callBack (V v) ;
}

为了实现具体的业务,再基于顶层接口向下做扩展,这里声明两个扩展接口,作为具体业务类的接口:

/**
 * 扩展接口设计01
 */
interface ExtCallBack01<R extends Integer,V extends List<String>>
                        extends CallBack<Integer,List<String>> {
    @Override
    Integer callBack (List<String> list) ;
}
/**
 * 扩展接口设计01
 */
interface ExtCallBack02<R extends Boolean,V extends Map<String,Long>>
        extends CallBack<Boolean,Map<String,Long>> {
    @Override
    Boolean callBack (Map<String,Long> map) ;
}

这样可以通过扩展接口去设计具体的业务类,提高程序的灵活可扩展性:

public class Generic02 {
    public static void main(String[] args) {
        new ExtCallBack01<Integer,List<String>>(){
            @Override
            public Integer callBack(List<String> list) {
                list.add("hello");
                return list.size();
            }
        };
        new ExtCallBack02<Boolean,Map<String,Long>> (){
            @Override
            public Boolean callBack(Map<String, Long> map) {
                map.put("Fire",119L) ;
                return map.size()>0 ;
            }
        } ;
    }
}

通过上面这个案例,可以清楚的感觉到泛型机制的灵活和强大。

1.3 泛型本质

泛型虽然可以使用在类,接口,方法,参数等各个地方,但是其约束能力是在代码的编译期:

public class Generic03 {
    public static void main(String[] args) {
        DefEntry<String> defEntry1 = new DefEntry<>("hello") ;
        DefEntry<Long> defEntry2 = new DefEntry<>(999L) ;
        // Always True
        System.out.println(defEntry1.getClass()==defEntry2.getClass());
    }
}
class DefEntry<T> {
    private T param ;
    public DefEntry (T param){
        this.param = param ;
    }
}

编译过程中,会对泛型合法性作校验,校验成功编译的class文件没有泛型信息,即泛型擦除掉,通过一个简单的命令查看编译后的文件:

javap -v Generic03.class

当然这也会带来安全问题:

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Map<String, String> map = new HashMap<>();
    Method method = HashMap.class.getDeclaredMethod("put",
                                new Class[] { Object.class, Object.class });
    method.invoke(map,888L, 999L);
    // {888=999}
    System.out.println(map);
    // java.lang.ClassCastException
    System.out.println(map.get(888L));
}

这里即通过反射的机制,绕开泛型,在map中放入程序语义上的非法值类型,在运行过程中获取值的时候才抛出类型转换异常。

二、反射机制

2.1 基础描述

反射机制可以在程序运行时获取类的完整结构信息,并且可以动态的操作属性和方法等。

对于反射机制的理解,必须要对类编译和JVM加载,运行时数据区有清楚的认识,这块内容可以移步JVM系列的文章。

通过运行时动态获取类的结构,然后动态的创建对象并操作属性和方法,这种方式在实际开发中并不多用,这样很明显会消耗JVM资源,并且会忽略一些封装导致安全问题,这在上面【1】中已经案例说明了。

2.2 反射的类库

  • java.lang.Class:Class类
  • java.lang.reflect.Constructor:构造器
  • java.lang.reflect.Field:属性
  • java.lang.reflect.Method:方法

API之Class对象

获取目标类型的Class对象常见方式,通过Class对象再获取相关结构信息,从而操作或者访问:

public static void main(String[] args) throws Exception {
    // Class对象回去
    User user1 = new User(1,"name01") ;
    Class userClass1 = user1.getClass() ;
    Class userClass2 = Class.forName("com.java.reflect.User");
    Class userClass3 = User.class ;
    System.out.println(User.class.getName());
    System.out.println("userClass1==userClass2?"+(userClass1==userClass2));
    System.out.println("userClass2==userClass3?"+(userClass2==userClass3));
    // 类型创建和判断
    Object object = User.class.newInstance() ;
    System.out.println("类型:"+(object instanceof User));
    System.out.println("类型:"+(userClass3.isInstance(user1)));
}

输出结果:

这里有个注意点:通过Class对象的newInstance()方法,即基于User类的无参构造器,首先要求User类具有无参构造方法。

API之Constructor构造器

Class对象读取构造方法,可以分别获得全部构造方法,不同修饰类型的构造方法,或者根据构造参数类型指定获取:

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Class userClass = User.class ;
    
    // 读取公共构造方法
    Constructor[] userConArr = userClass.getConstructors();
    printCon(userConArr);
    
    // 读取指定私有构造方法
    Constructor privateCon = userClass.getDeclaredConstructor(Integer.class);
    System.out.println(privateCon);
    
    // 读取全部构造方法
    userConArr = userClass.getDeclaredConstructors();
    printCon(userConArr);
    
    // 调用公共构造方法创建对象
    Constructor pubCon = userClass.getConstructor(Integer.class,String.class);
    Object pubUser = pubCon.newInstance(1,"hello") ;
    
    // 调用私有构造方法创建对象
    Constructor priCon = userClass.getDeclaredConstructor(Integer.class);
    // 忽略private权限修饰符
    priCon.setAccessible(Boolean.TRUE);
    Object priUser = priCon.newInstance(2) ;
    System.out.println(pubUser+"n"+priUser);
}
public static void printCon (Constructor[] constructors){
    for (Constructor constructor:constructors){
        System.out.println(constructor);
    }
}

这里需要注意的是,通过调用setAccessible(Boolean.TRUE)方法,可以基于私有构造方法创建对象,这里明显违背了Java的基本设计原则,破坏代码的安全性。

API之Field属性

Field保证成员变量的属性,修饰符,值管理等相关操作:

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Class userClass = User.class ;
    // 获取公共字段
    Field[] pubArr = userClass.getFields() ;
    printField(pubArr);
    
    // 获取全部字段
    Field[] fieldArr = userClass.getDeclaredFields() ;
    printField(fieldArr);
    
    // 获取指定字段
    Field emailField = userClass.getField("email") ;
    Field nameField = userClass.getDeclaredField("name") ;
    printField(new Field[]{emailField,nameField});
    
    // 创建对象并操作属性
    Object userObj = userClass.newInstance() ;
    nameField.setAccessible(Boolean.TRUE);
    nameField.set(userObj,"world");
    emailField.set(userObj,"test@email.com");
    System.out.println("userObj:"+userObj);
}
/**
 * 打印成员变量信息
 */
public static void printField (Field[] fields){
    for (Field field : fields){
        System.out.println("声明:"+field);
        UserAnno userAnno = field.getAnnotation(UserAnno.class) ;
        System.out.println("注解:"+userAnno.desc());
        String fieldName = field.getName() ;
        System.out.println("名称:"+fieldName);
        Type type = field.getGenericType() ;
        System.out.println("类型:"+type);
    }
}

注意这里获取Type类型信息,在有些特定的业务场景下还是十分有用的。

API之Method方法

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Class userClass = User.class ;
    // 获取所有公共方法[包括父类和Object类方法]
    Method[] pubMethods = userClass.getMethods() ;
    printMethod(pubMethods);
    // 获取全部方法
    Method[] allMethods = userClass.getDeclaredMethods() ;
    printMethod(allMethods);
    // 获取指定方法
    Method method = userClass.getMethod("parName",String.class) ;
    printMethod(new Method[]{method});
    // 调用方法
    Object userObj = userClass.newInstance() ;
    Method setId = userClass.getDeclaredMethod("setId", Integer.class);
    setId.invoke(userObj,99) ;
    Method setName = userClass.getDeclaredMethod("setName", String.class);
    setName.invoke(userObj,"java") ;
    Method sayHi = userClass.getDeclaredMethod("sayHi", String.class);
    sayHi.setAccessible(Boolean.TRUE);
    sayHi.invoke(userObj,"c++");
    System.out.println(userObj);
}
/**
 * 打印方法信息
 */
public static void printMethod (Method[] methods){
    for (Method method : methods){
        System.out.println("定义:"+method);
        System.out.println("命名:"+method.getName());
        UserAnno userAnno = method.getAnnotation(UserAnno.class) ;
        if (userAnno != null){
            System.out.println("注解:"+userAnno.desc());
        }
        Type[] paramTypeArr = method.getParameterTypes();
        for (int i=0 ; i< paramTypeArr.length; i++){
            System.out.print("参数"+(i+1)+"类型:"+paramTypeArr[i]+" ; ");
        }
        System.out.println("参数个数:"+method.getParameterCount());
    }
}

注意这里对方法的获取远远不止类本身定义的,包括从父类继承的,和Java基础Object类中的。

三、源代码地址

GitHub·地址
https://github.com/cicadasmile/java-base-parent

GitEE·地址
https://gitee.com/cicadasmile/java-base-parent

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