第 16 章 反射（Reflection）

Java 提供的反射機制允許您於執行時期動態載入類別、檢視類別資訊、生成物件或操作生成的物件，要舉反射機制的一個應用實例，就是在整合式開發環境中所提供的方法提示或是類別檢視工具，另外像 JSP 中的 JavaBean 自動收集請求資訊也使用到反射，而一些軟體開發框架（Framework）也常見到反射機制的使用，以達到動態載入使用者自訂類別的目的。

即使您暫時用不到反射機制，也建議您花時間看看這個章節，藉由對反射機制的認識，您可以瞭解 Java 中是如何載入類別的，而且瞭解到每個被載入的類別在 JVM 中，都以 Class 類別的一個實例存在的事實。

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16.1 類別載入與檢視

即使您拿到一個類別並對它一無所知，但其實它本身就包括了許多資訊，Java 在需要使用到某個類別時才會將類別載入，並在 JVM 中以一個 java.lang.Class 的實例存在，從 Class 實例開始，您可以獲得類別的許多訊息。

16.1.1 簡介 Class 與類別載入

Java 在真正需要使用一個類別時才會加以載入，而不是在程式啟動時就載入所有的類別，因為大多數的使用者都只使用到應用程式的部份資源，在需要某些功能時才載入某些資源，可以讓系統的資源運用更有效率（Java 本來就是為了資源有限的小型設備而設計的，這樣的考量是必然的）。

一個 java.lang.Class 物件代表了 Java 應用程式在運行時所載入的類別或介面實例，也用來表達 enum（屬於類別的一種）、 annotation（屬於介面的一種）、陣列、原生型態（Primitive type）、void；Class 類別沒有公開的（public）建構方法，Class 物件是由 JVM 自動產生，每當一個類別被載入時，JVM 就自動為其生成一個 Class 物件。

您可以透過 Object 的 getClass() 方法來取得每一個物件對應的 Class 物件，或者是透過 "class" 常量（Class literal），在取得 Class 物件之後，您就可以操作 Class 物件上的一些公開方法來取得類別的基本資訊，範例 16.1 簡單的使用 getClass() 方法來取得 String 類別的 Class 實例，並從中得到 String 的一些基本資訊。

範例 16.1 ClassDemo.java

package onlyfun.caterpillar;public class ClassDemo {public static void main(String[] args) {String name = "caterpillar";Class stringClass = name.getClass();System.out.println("類別名稱：" + stringClass.getName()); System.out.println("是否為介面：" + stringClass.isInterface()); System.out.println("是否為基本型態：" + stringClass.isPrimitive()); System.out.println("是否為陣列物件：" + stringClass.isArray()); System.out.println("父類別名稱：" + stringClass.getSuperclass().getName());} }

執行結果：

類別名稱：java.lang.String 是否為介面：false 是否為基本型態：false 是否為陣列物件：false 父類別名稱：java.lang.Object

您也可以直接使用以下的方式來取得 String 類別的 Class 物件：

Class stringClass = String.class;

Java 在真正需要類別時才會載入類別，所謂「真正需要」通常指的是要使用指定的類別生成物件時（或是使用者指定要載入類別時，例如使用 Class.forName() 載入類別，或是使用 ClassLoader 的 loadClass() 載入類別，稍後都會說明）。使用類別名稱來宣告參考名稱並不會導致類別的載入，可以設計一個測試類別的印證這個說法。

範例 16.2 TestClass.java

package onlyfun.caterpillar;public class TestClass {static {System.out.println("類別被載入");} }

在範例中定義了一個靜態區塊，「預設」在類別第一次被載入時會執行靜態區塊（說預設的原因，是因為可以設定載入類別時不執行靜態區塊，使用 Class 生成物件時才執行靜態區塊，稍後會介紹），藉由在文字模式下顯示訊息，您可以瞭解類別何時被載入，可以使用範例 16.3 來測試類別載入時機。

範例 16.3 LoadClassTest.java

package onlyfun.caterpillar;public class LoadClassTest {public static void main(String[] args) {TestClass test = null;System.out.println("宣告TestClass參考名稱");test = new TestClass();System.out.println("生成TestClass實例");} }

執行結果：

宣告TestClass參考名稱 類別被載入 生成TestClass實例

從執行結果中可以看出，宣告參考名稱並不導致 TestClass 類別被載入，而是在使用 "new" 生成物件時才會載入類別。

Class 的訊息是在編譯時期就被加入至 .class 檔案中，這是 Java 支援執行時期型別辨識（RTTI，Run-Time Type Information或Run-Time Type Identification）的一種方式，在編譯時期編譯器會先檢查對應的 .class 檔案，而執行時期JVM在使用某類別時，會先檢查對應的 Class 物件是否已經載入，如果沒有載入，則會尋找對應的 .class 檔案並載入，一個類別在 JVM 中只會有一個 Class 實例，每個類別的實例都會記得自己是由哪個 Class 實例所生成，您可以使用 getClass() 或 .class 來取得 Class 實例。

圖 16.1 每個物件會記得生成它的 Class 實例

在 Java 中，陣列也是一個物件，也有其對應的 Class 實例，這個物件是由具相同元素與維度的陣列所共用，而基本型態像是 boolean, byte, char, short, int, long, float, double 以及關鍵字 void，也都有對應的 Class 物件，您可以用類別常量（Class literal）來取得這些物件。

範例 16.4 ClassDemo2.java

package onlyfun.caterpillar;public class ClassDemo2 { public static void main(String[] args) { System.out.println(boolean.class); System.out.println(void.class); int[] iarr = new int[10];System.out.println(iarr.getClass().toString());double[] darr = new double[10];System.out.println(darr.getClass().toString());} }

執行結果：

boolean void class [I class [D

在 Java 中陣列確實是以物件的形式存在，其對應的類別是由 JVM 自動生成，當您使用 toString() 來顯示陣列物件的描述時，[表示為陣列型態，並加上一個型態代表字，範例中I表示是一個 int 陣列，而 D 表示是一個 double 陣列，16.2.4 還會對陣列物件加以討論。

16.1.2 使用 Class.forName() 載入類別

在一些應用中，您無法事先知道使用者將載入什麼類別，而必須讓使用者指定類別名稱以載入類別，您可以使用 Class 的靜態 forName() 方法實現動態加載類別，範例 16.5 是個簡單示範，可以讓您可以指定類別名稱來獲得類別的相關資訊。

範例 16.5 ForNameDemo.java

package onlyfun.caterpillar;public class ForNameDemo {public static void main(String[] args) { try {Class c = Class.forName(args[0]);System.out.println("類別名稱：" + c.getName()); System.out.println("是否為介面：" + c.isInterface()); System.out.println("是否為基本型態：" + c.isPrimitive()); System.out.println("是否為陣列：" + c.isArray()); System.out.println("父類別：" + c.getSuperclass().getName());}catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {System.out.println("沒有指定類別名稱");}catch(ClassNotFoundException e) {System.out.println("找不到指定的類別");}} }

在指定類別給 forName() 方法後，如果找不到指定的類別，會丟出 ClassNotFoundException 例外，一個的執行結果如下：

java onlyfun.caterpillar.ForNameDemo java.util.Scanner 類別名稱：java.util.Scanner 是否為介面：false 是否為基本型態：false 是否為陣列：false 父類別：java.lang.Object

Class 的靜態 forName() 方法有兩個版本，範例16.5所示範的是只指定類別名稱的版本，而另一個版本可以讓您指定類別名稱、載入類別時是否執行靜態區塊、指定類別載入器（Class loader）：

static Class forName(String name, boolean initialize, ClassLoader loader)

之前曾經說過，預設上在載入類別的時候，如果類別中有定義靜態區塊則會執行它，您可以使用 forName() 的第二個版本，將 initialize 設定為 false，如此在載入類別時並不會馬上執行靜態區塊，而會在使用類別建立物件時才執行靜態區塊，為了印證，您可以先設計一個測試類別。

範例 16.6 TestClass2.java

package onlyfun.caterpillar;public class TestClass2 {static {System.out.println("[執行靜態區塊]");} }

範例 16.6 中只定義了靜態區塊顯示一段訊息，以觀察靜態區塊何時被執行，您可以設計範例 16.7 使用第一個版本的 forName() 方法。

範例 16.7 ForNameDemoV1.java

package onlyfun.caterpillar;public class ForNameDemoV1 {public static void main(String[] args) { try {System.out.println("載入TestClass2");Class c = Class.forName("onlyfun.caterpillar.TestClass2");System.out.println("使用TestClass2宣告參考名稱");TestClass2 test = null;System.out.println("使用TestClass2建立物件"); test = new TestClass2();}catch(ClassNotFoundException e) {System.out.println("找不到指定的類別");}} }

執行結果如下：

載入TestClass2 [執行靜態區塊] 使用TestClass2宣告參考名稱 使用TestClass2建立物件

從執行結果中可以看到，第一個版本的 forName() 方法在載入類別之後，預設會馬上執行靜態區塊，來看看範例 16.8 中使用第二個版本的 forName() 方法會是如何。

範例 16.8 ForNameDemoV2.java

package onlyfun.caterpillar;public class ForNameDemoV2 {public static void main(String[] args) { try {System.out.println("載入TestClass2");Class c = Class.forName("onlyfun.caterpillar.TestClass2", false, // 載入類別時不執行靜態方法Thread.currentThread().getContextClassLoader());System.out.println("使用TestClass2宣告參考名稱");TestClass2 test = null;System.out.println("使用TestClass2建立物件"); test = new TestClass2();}catch(ClassNotFoundException e) {System.out.println("找不到指定的類別");}} }

執行結果如下：

載入TestClass2 使用TestClass2宣告參考名稱 使用TestClass2建立物件 [執行靜態區塊]

由於使用第二個版本的 forName() 方法時，設定 initialize 為 false，所以載入類別時並不會馬上執行靜態區塊，而會在使用類別建立物件時才去執行靜態區塊，第二個版本的 forName() 方法會需要一個類別載入器（Class loader），範例中所使用的是主執行緒的類別載入器，16.1.4 還會詳細介紹 Java 中的類別載入器機制。

16.1.3 從 Class 中獲取資訊

Class 物件表示所載入的類別，取得 Class 物件之後，您就可以取得與類別相關聯的資訊，像是套件（package）（別忘了 package 也是類別名稱的一部份）、建構方法、方法成員、資料成員等的訊息，而每一個訊息，也會有相應的類別型態，例如套件的對應型態是 java.lang.Package，建構方法的對應型態是 java.lang.reflect.Constructor，方法成員的對應型態是 java.lang.reflect.Method，資料成員的對應型態是 java.lang.reflect.Field 等。

來看個簡單的示範，範例 16.9 可以讓您取得所指定類別上的套件名稱。

範例 16.9 ClassInfoDemo.java

package onlyfun.caterpillar;public class ClassInfoDemo {public static void main(String[] args) { try {Class c = Class.forName(args[0]);Package p = c.getPackage();System.out.println(p.getName());}catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {System.out.println("沒有指定類別");}catch(ClassNotFoundException e) {System.out.println("找不到指定類別");}} }

執行結果：

java onlyfun.caterpillar.ClassInfoDemo java.util.ArrayList java.util

您可以分別取回 Field、Constructor、Method等物件，分別代表資料成員、建構方法與方法成員，範例16.10 簡單的實作了取得類別基本資訊的程式。

範例 16.10 SimpleClassViewer.java

package onlyfun.caterpillar;import java.lang.reflect.*;public class SimpleClassViewer {public static void main(String[] args) { try {Class c = Class.forName(args[0]);// 取得套件代表物件Package p = c.getPackage();System.out.printf("package %s;%n", p.getName());// 取得型態修飾，像是class、interfaceint m = c.getModifiers();System.out.print(Modifier.toString(m) + " ");// 如果是介面if(Modifier.isInterface(m)) {System.out.print("interface ");}else {System.out.print("class ");}System.out.println(c.getName() + " {");// 取得宣告的資料成員代表物件Field[] fields = c.getDeclaredFields();for(Field field : fields) {// 顯示權限修飾，像是public、protected、privateSystem.out.print("\t" + Modifier.toString(field.getModifiers()));// 顯示型態名稱System.out.print(" " + field.getType().getName() + " ");// 顯示資料成員名稱System.out.println(field.getName() + ";");}// 取得宣告的建構方法代表物件 Constructor[] constructors = c.getDeclaredConstructors();for(Constructor constructor : constructors) {// 顯示權限修飾，像是public、protected、privateSystem.out.print("\t" + Modifier.toString(constructor.getModifiers()));// 顯示建構方法名稱System.out.println(" " + constructor.getName() + "();");}// 取得宣告的方法成員代表物件 Method[] methods = c.getDeclaredMethods();for(Method method : methods) {// 顯示權限修飾，像是public、protected、privateSystem.out.print("\t" + Modifier.toString(method.getModifiers()));// 顯示返回值型態名稱System.out.print(" " + method.getReturnType().getName() + " ");// 顯示方法名稱System.out.println(method.getName() + "();");}System.out.println("}");}catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {System.out.println("沒有指定類別");}catch(ClassNotFoundException e) {System.out.println("找不到指定類別");}} }

執行結果：

package java.util; public class java.util.ArrayList {private static final long serialVersionUID;private transient [Ljava.lang.Object; elementData;private int size;public java.util.ArrayList();public java.util.ArrayList();public java.util.ArrayList();public boolean add();public void add();public java.lang.Object clone();public void clear();public boolean contains();public int indexOf();略... }

一些類別檢視器的實作原理基本上就是範例 16.10 所示範的，當然還可以取得更多的資訊，您可以參考 Class 的線上 API 文件得到更多的訊息。

16.1.4 簡介類別載入器

Java 在需要使用類別的時候，才會將類別載入，Java 的類別載入是由類別載入器（Class loader）來達到的。

當您在文字模式下執行 java XXX 指令後，java 執行程式會嘗試找到 JRE 安裝的所在目錄，然後尋找 jvm.dll（預設是在JRE目錄下bin\client目錄中），接著啟動 JVM 並進行初始化動作，接著產生 Bootstrap Loader，Bootstrap Loader 會載入 Extended Loader，並設定 Extended Loader 的 parent 為 Bootstrap Loader，接著 Bootstrap Loader 會載入 System Loader，並將 System Loader 的 parent 設定為 Extended Loader。

Bootstrap Loader 通常由 C 撰寫而成；Extended Loader 是由 Java 所撰寫而成，實際是對應於 sun.misc.Launcher\$ExtClassLoader（Launcher 中的內部類別）；System Loader 是由 Java 撰寫而成，實際對應於sun.misc. Launcher\$AppClassLoader（Launcher 中的內部類別）。

圖 16.2 是 java 程式啟動與載入類別的順序圖，也就是所謂的「類別載入器階層架構」。

圖 16.2 Java 類別載入器階層架構

Bootstrap Loader 會搜尋系統參數 sun.boot.class.path 中指定位置的類別，預設是 JRE classes 下之 檔案，或 lib 目錄下 .jar 檔案中（例如 rt.jar）的類別並載入，您可以使用 System.getProperty("sun.boot.class.path") 陳述來顯示 sun.boot.class.path 中指定的路徑，例如在我的電腦中顯示的是以下的路徑：

C:\Program Files\Java\jre1.5.0_03\lib\rt.jar; C:\Program Files\Java\jre1.5.0_03\lib\i18n.jar; C:\Program Files\Java\jre1.5.0_03\lib\sunrsasign.jar; C:\Program Files\Java\jre1.5.0_03\lib\jsse.jar; C:\Program Files\Java\jre1.5.0_03\lib\jce.jar; C:\Program Files\Java\jre1.5.0_03\lib\charsets.jar; C:\Program Files\Java\jre1.5.0_03\classes

Extended Loader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）是由 Java 撰寫而成，會搜尋系統參數 java.ext.dirs 中指定位置的類別，預設是 JRE 目錄下的 lib\ext\classes 目錄下的 .class 檔案，或 lib\ext 目錄下的 .jar 檔案中（例如 rt.jar）的類別並載入，您可以使用 System.getProperty("java.ext.dirs") 陳述來顯示 中指定的路徑，例如在我的電腦中顯示的是以下的路徑：

C:\Program Files\Java\jre1.5.0_03\lib\ext

System Loader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）是由 Java 撰寫而成，會搜尋系統參數 java.class.path 中指定位置的類別，也就是 Classpath 所指定的路徑，預設是目前工作路徑下的 .class 檔案，您可以使用 System.getProperty("java.class.path") 陳述來顯示 java.class.path 中指定的路徑，在使用 java 執行程式時，您也可以加上 -cp 來覆蓋原有的 Classpath 設定，例如：

java –cp ./classes SomeClass

Bootstrap Loader 會在 JVM 啟動之後產生，之後它會載入 Extended Loader 並將其 parent 設為 Bootstrap Loader，然後 Bootstrap Loader 再載入 System Loader 並將其 parent 設定為 ExtClassLoader，接著 System Loader 開始載入您指定的類別，在載入類別時，每個類別載入器會先將載入類別的任務交由其 parent，如果 parent 找不到，才由自己負責載入，所以在載入類別時，會以 Bootstrap Loader→Extended Loader→System Loader 的順序來尋找類別，如果都找不到，就會丟出 NoClassDefFoundError。

類別載入器在 Java 中是以 java.lang.ClassLoader 型態存在，每一個類別被載入後，都會有一個 Class 的實例來代表，而每個 Class 的實例都會記得自己是由哪個 ClassLoader 載入的，可以由 Class 的 getClassLoader() 取得載入該類別的 ClassLoader，而從 ClassLoader 的 getParent() 方法可以取得自己的 parent，圖 16.3 顯示了一個自訂的 SomeClass 實例與 Class、ClassLoader 及各 parent 的關係。

圖 16.3 物件、Class、ClassLoader 與 parent 的關係

範例 16.11 示範了圖 16.3 的一個實際例子。

範例 16.11 SomeClass.java

package onlyfun.caterpillar;public class SomeClass {public static void main(String[] args) {// 建立SomeClass實例SomeClass some = new SomeClass();// 取得SomeClass的Class實例Class c = some.getClass();// 取得ClassLoaderClassLoader loader = c.getClassLoader();System.out.println(loader);// 取得父ClassLoaderSystem.out.println(loader.getParent());// 再取得父ClassLoaderSystem.out.println(loader.getParent().getParent());} }

執行結果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@82ba41 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@923e30 null

onlyfun.caterpillar.SomeClass 是個自訂類別，您在目前的工作目錄下執行程式，首先 AppClassLoader 會將載入類別的任務交給 ExtClassLoader，而 ExtClassLoader 會將載入類別的任務交給 Bootstrap Loader，由於 Bootstrap Loader 在它的路徑設定（sun.boot.class.path）下找不到類別，所以由 ExtClassLoader 來試著尋找，而 ExtClassLoader 在它的路徑設定（java.ext.dirs）下也找不到類別，所以由 AppClassLoader 來試著尋找，AppClassLoader 最後在 Classpath（java.class.path）設定下找到指定的類別並載入。

在執行結果中可以看到，載入 SomeClass 的 ClassLoader 是 AppClassLoader，而 AppClassLoader 的 parent 是 ExtClassLoader，而 ExtClassLoader 的 parent 是 null，null 並不是表示 ExtClassLoader 沒有設定 parent，而是因為 Bootstrap Loader 通常由 C 所撰寫而成，在 Java 中並沒有一個實際的類別來表示它，所以才會顯示為 null。

如果把 SomeClass 的 .class 檔案移至 JRE 目錄下的 lib\ext\classes下（由於設定了套件，所以實際上 SomeClass.class 要放置在 JRE 目錄下的 lib\ext\classes\onlyfun\caterpillar下），並重新（於任何目錄下）執行程式，您會看到以下的訊息：

sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@923e30 null Exception in thread "main" java.lang.NullPointerExceptionat onlyfun.caterpillar.SomeClass.main(SomeClass.java:15)

由於 SomeClass 這次可以在 ExtClassLoader 的設定路徑下找到，所以會由 ExtClassLoader 來載入 SomeClass 類別，而 ExtClassLoader 的 parent 顯示為 null，指的是它的 parent 是由 C 撰寫而成的 Bootstrap Loader，因為沒有實際的 Java 類別而表示為 null，所以再由 null 上嘗試呼叫 getParent() 方法就會丟出 NullPointerException 例外。

如果再把 SomeClass 的 .class 檔案移至 JRE 目錄下的 classes 目錄下（由於設定了套件，所以實際上 SomeClass.class 要放置在 JRE 目錄下的 classes/onlyfun/caterpillar下），並重新（於任何目錄下）執行程式，您會看到以下的訊息：

null Exception in thread "main" java.lang.NullPointerExceptionat onlyfun.caterpillar.SomeClass.main(SomeClass.java:13)

由於 SomeClass 這次可以在 Bootstrap Loader 的設定路徑下找到，所以會由 Bootstrap Loader 來載入 SomeClass 類別，Bootstrap Loader 通常由 C 撰寫而成，在 Java 中沒有一個實際的類別來表示，所以顯示為 null，因為表示為 null，所以再 由 null 上嘗試呼叫 getParent() 方法就會丟出 NullPointerException 例外。

取得 ClassLoader 的實例之後，您可以使用它的 loadClass() 方法來載入類別，使用 loadClass() 方法載入別時，不會執行靜態區塊，靜態區塊的執行會等到真正使用類別來建立實例時，例如您可以改寫範例 16.7 為範例 16.12。

範例 16.12 ForNameDemoV3.java

package onlyfun.caterpillar;public class ForNameDemoV3 {public static void main(String[] args) { try {System.out.println("載入TestClass2");ClassLoader loader = ForNameDemoV3.class.getClassLoader();Class c = loader.loadClass("onlyfun.caterpillar.TestClass2");System.out.println("使用TestClass2宣告參考名稱");TestClass2 test = null;System.out.println("使用TestClass2建立物件");test = new TestClass2();}catch(ClassNotFoundException e) {System.out.println("找不到指定的類別");}} }

從執行結果中可以看到，loadClass() 不會在載入類別時執行靜態區塊，而會在使用類別新建物件時才執行靜態區塊，結果如下所示：

載入TestClass2 使用TestClass2宣告參考名稱 使用TestClass2建立物件 [執行靜態區塊]

16.1.5 使用自己的 ClassLoader

ExtClassLoader 與 AppClassLoader 都是 java.net.URLClassLoader 的子類別，您可以在使用 java 啟動程式時，使用以下的指令來指定 ExtClassLoader 的搜尋路徑：

java -Djava.ext.dirs=c:\workspace\ YourClass

可以在使用 java 啟動程式時，使用 -classpath 或 -cp 來指定 AppClassLoader 的搜尋路徑，也就是設定 Classpath：

java -classpath c:\workspace\ YourClass

ExtClassLoader 與 AppClassLoader 在程式啟動後會在虛擬機器中存在一份，您在程式運行過程中就無法再改變它的搜尋路徑，如果在程式運行過程中，打算動態決定從其它的路徑載入類別，就要產生新的類別載入器。

您可以使用 URLClassLoader 來產生新的類別載入器，它需要 java.net.URL 作為其參數來指定類別載入的搜尋路徑，例如：

URL url = new URL("file:/d:/workspace/"); ClassLoader urlClassLoader = new URLClassLoader(new URL[] {url}); Class c = urlClassLoader.loadClass("SomeClass");

由於 ClassLoader 是 Java SE 的標準API之一，可以在 rt.jar 中找到，因而會由 Bootstrap Loader 來載入 ClassLoader 類別，在新增了 ClassLoader 實例後，您可以使用它的 loadClass() 方法來指定要載入的類別名稱，在新增 ClassLoader 時，會自動將新建的 ClassLoader 的 parent 設定為 AppClassLoader，並在每次載入類別時，先委託 parent 代為搜尋，所以上例中搜尋 SomeClass 類別時，會一路往上委託至 Bootstrap Loader 先開始搜尋，接著是 ExtClassLoader、AppClassLoader，如果都找不到，才使用新建的 ClassLoader 搜尋。

Java 的類別載入器階層架構除了可以達到動態載入類別目的之外，還有著安全上的考量，首先，因為每次尋找類別時都是委託 parent 開始尋找，所以除非有人可以侵入您的電腦，置換掉標準 Java SE API 與您自己安裝的延伸套件，否則是不可能藉由撰寫自己的類別載入器來載入惡意類別，以置換掉標準 Java SE API與您自己安裝的延伸套件。

由於每次的類別載入是由子 ClassLoader 委託父 ClassLoader 先嘗試載入，但父 lassLoader 看不到子 ClassLoader，所以同一階層的子 ClassLoader 不會被誤用，從而避免了載入錯誤類別的可能性，例如在圖 16.4 中，您想從 YourClassLoader 來載入類別的話，類別載入器階層不會看到 MaliciousClassLoader。

圖 16.4 類別載入器階層的安全設計

由同一個 ClassLoader 載入的類別檔案，會只有一份Class實例，如果同一個類別檔案是由兩個不同的ClassLoader 載入，則會有兩份不同的 Class 實例。注意這個說法，如果有兩個不同的 ClassLoader 搜尋同一個類別，而在 parent 的 AppClassLoader 搜尋路徑中就可以找到指定類別的話，則 Class 實例就只會有一個，因為兩個不同的 ClassLoader 都是在委託父 ClassLoader 時找到該類別的，如果父 ClassLoader 找不到，而是由各自的 ClassLoader 搜尋到，則 Class 的實例會有兩份。

範例 16.13 是個簡單的示範，可用來測試載入路徑與Class實例是否為同一物件。

範例 16.13 ClassLoaderDemo.java

package onlyfun.caterpillar;import java.net.MalformedURLException; import java.net.URL; import java.net.URLClassLoader;public class ClassLoaderDemo {public static void main(String[] args) {try {// 測試路徑String classPath = args[0];// 測試類別String className = args[1];URL url1 = new URL(classPath);// 建立ClassLoaderClassLoader loader1 = new URLClassLoader(new URL[] {url1});// 載入指定類別Class c1 = loader1.loadClass(className);// 顯示類別描述System.out.println(c1);URL url2 = new URL(classPath);ClassLoader loader2 = new URLClassLoader(new URL[] {url2});Class c2 = loader2.loadClass(className);System.out.println(c2);System.out.println("c1 與 c1 為同一實例？" + (c1 == c2));}catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {System.out.println("沒有指定類別載入路徑與名稱");}catch(MalformedURLException e) {System.out.println("載入路徑錯誤");}catch(ClassNotFoundException e) {System.out.println("找不到指定的類別");}} }

您可以任意設計一個類別，例如 TestClass，其中 classPath 可以輸入不為 ExtClassLoader 或 AppClassLoader 的搜尋路徑，例如 file:/d:/workspace/，這樣同一個類別會分由兩個 ClassLoader 載入，結果會有兩份 Class 實例，則測試 c1 與 c2 是否為同一實例時，則結果會顯示 false，一個執行結果如下：

java onlyfun.caterpillar.ClassLoaderDemo file:/d:/workspace/ TestClass class TestClass class TestClass c1 與 c1 為同一實例？false

如果您在執行程式時，以 -cp 將 file:/d:/workspace/ 加入為 Classpath 的一部份，由於兩個 ClassLoader 的 parent 都是 AppClassLoader，而 AppClassLoader 會在 Classpath 中找到指定的類別，所以最後會只有一個指定的類別之 Class 實例，則測試 c1 與 c2 是否為同一實例時，結果會顯示 true，一個執行結果如下：

java -cp .;d:\workspace onlyfun.caterpillar.ClassLoaderDemo file:/d:/workspace/ TestClass class TestClass class TestClass c1 與 c1 為同一實例？true

使用 -cp 指定 Classpath 時，會覆蓋原有的 Classpath 定義，也就是連現行工作目錄的路徑也覆蓋了，由於我的 ClassLoaderDemo 類別是在現行工作目錄下，所以使用 -cp 時，也包括了現行工作目錄，記得組合多個 Classpath 路徑時，可以使用「;」。

16.2 使用反射生成與操作物件

使用反射機制，您可以於執行時期動態載入類別並生成物件，操作物件上的方法、改變類別成員的值，甚至連私用（private）成員的值也可以改變。

16.2.1 生成物件

您可以使用 Class 的 newInstance() 方法來實例化一個物件，實例化的物件是以 Object 型態傳回，例如：

Class c = Class.forName(className); Object obj = c.newInstance();

範例 16.14 是個簡單的示範，您可以動態載入實現了 List 介面的類別。

範例 16.14 NewInstanceDemo.java

package onlyfun.caterpillar;import java.util.*;public class NewInstanceDemo {public static void main(String[] args) { try {Class c = Class.forName(args[0]);List list = (List) c.newInstance();for(int i = 0; i < 5; i++) {list.add("element " + i);}for(Object o: list.toArray()) {System.out.println(o);}}catch(ClassNotFoundException e) {System.out.println("找不到指定的類別");} catch (InstantiationException e) {e.printStackTrace();} catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();}} }

執行結果：

java onlyfun.caterpillar.NewInstanceDemo java.util.ArrayList element 0 element 1 element 2 element 3 element 4

實際上如果想要使用反射來動態載入類別，通常是對物件的介面或類型都一無所知，也就無法像範例 16.14 中對 newInstance() 傳回的物件進行介面轉換動作，稍後會介紹如何以反射來呼叫方法以操作 newInstance() 所傳回的物件。

如果載入的類別中具備無參數的建構方法，則可以無參數的 newInstance() 來建構一個不指定初始引數的物件，如果您要在動態載入及生成物件時指定物件的初始化引數，則要先指定參數型態、取得 Constructor 物件、使用 Constructor 的 newInstance() 並指定參數的接受值。

以一個例子來說明，首先定義一個 Student 類。

範例 16.15 Student.java

package onlyfun.caterpillar;public class Student {private String name;private int score; public Student() {name = "N/A"; } public Student(String name, int score) { this.name = name; this.score = score; } public void setName(String name) {this.name = name;}public void setScore(int score) {this.score = score;}public String getName() { return name; } public int getScore() { return score; } public String toString() {return name + ":" + score;} }

您可以用 Class.forName() 來載入 Student 類別，並使用第二個有參數的建構方法來建構 Student 實例，如範例 16.16 所示。

範例 16.16 NewInstanceDemo2.java

package onlyfun.caterpillar;import java.lang.reflect.Constructor; import java.lang.reflect.InvocationTargetException;public class NewInstanceDemo2 {public static void main(String[] args) {try {Class c = Class.forName(args[0]);// 指定參數型態Class[] params = new Class[2];// 第一個參數是Stringparams[0] = String.class;// 第二個參數是intparams[1] = Integer.TYPE;// 取得對應參數列的建構方法 Constructor constructor = c.getConstructor(params);// 指定引數內容Object[] argObjs = new Object[2];argObjs[0] = "caterpillar";argObjs[1] = new Integer(90);// 給定引數並實例化Object obj = constructor.newInstance(argObjs);// 呼叫toString()來觀看描述System.out.println(obj);} catch (ClassNotFoundException e) {System.out.println("找不到類別");} catch (SecurityException e) {e.printStackTrace();} catch (NoSuchMethodException e) {System.out.println("沒有所指定的方法");} catch (IllegalArgumentException e) {e.printStackTrace();} catch (InstantiationException e) {e.printStackTrace();} catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();} catch (InvocationTargetException e) {e.printStackTrace();}} }

注意在指定基本型態時，要使用對應的包裹類別（Wrapper）並使用 .TYPE，例如指定 int 型態時，則使用 Integer.TYPE，如果要指定 Integer 型態的參數的話，才是使用 Integer.class，範例 16.16 會根據指定的引數呼叫對應的建構方法，載入 onlyfun.caterpillar.Student 的執行結果如下：

java onlyfun.caterpillar.NewInstanceDemo2 onlyfun.caterpillar.Student caterpillar:90

16.2.2 呼叫方法

使用反射可以取回類別上方法的物件代表，方法的物件代表是 java.lang.reflect.Method 的實例，您可以使用它的 invoke() 方法來動態呼叫指定的方法，例如呼叫範例 16.15 的 Student 類別上之 setName() 等方法，這邊直接以範例 16.17 作為示範。

範例 16.17 InvokeMethodDemo.java

package onlyfun.caterpillar;import java.lang.reflect.InvocationTargetException; import java.lang.reflect.Method;public class InvokeMethodDemo {public static void main(String[] args) {try {Class c = Class.forName(args[0]);// 使用無參數建構方法建立物件Object targetObj = c.newInstance();// 設定參數型態Class[] param1 = {String.class};// 根據參數型態取回方法物件Method setNameMethod = c.getMethod("setName", param1);// 設定引數值 Object[] argObjs1 = {"caterpillar"};// 給定引數呼叫指定物件之方法setNameMethod.invoke(targetObj, argObjs1);Class[] param2 = {Integer.TYPE};Method setScoreMethod = c.getMethod("setScore", param2);Object[] argObjs2 = {new Integer(90)};setScoreMethod.invoke(targetObj, argObjs2);// 顯示物件描述System.out.println(targetObj);} catch (ClassNotFoundException e) {System.out.println("找不到類別");} catch (SecurityException e) {e.printStackTrace();} catch (NoSuchMethodException e) {System.out.println("沒有這個方法");} catch (IllegalArgumentException e) {e.printStackTrace();} catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();} catch (InvocationTargetException e) {e.printStackTrace();} catch (InstantiationException e) {e.printStackTrace();}} }

範例 16.17 可以指定載入 Student 類別並生成實例，接著可以動態呼叫 setName() 與 setScore() 方法，範例中參數型態與引數值的設定與範例 16.16 是類似的，由於呼叫 setName() 與 setScore() 所給定的引數是 "caterpillar" 與 90，所以執行的結果與範例 16.16 是相同的。

在很少的情況下，您會需要突破 Java 的存取限制來呼叫受保護的（protected）或私有（private）的方法（例如您拿到一個組件（Component），但您沒法修改它的原始碼來改變某個私有方法的權限，而您又一定要呼叫某個私有方法），這時候您可以使用反射機制來達到您的目的，一個存取私有方法的例子如下：

Method privateMethod = c.getDeclaredMethod("somePrivateMethod", new Class[0]); privateMethod.setAccessible(true); privateMethod.invoke(targetObj, argObjs);

使用反射來動態呼叫方法的實際例子之一是在 JavaBean 的設定，例如在 JSP/Servlet 中，可以根據使用者的請求名稱與 JavaBean 的屬性名稱自動比對，將字串請求值設定至指定的 JavaBean 上，並自動根據參數型態作型態轉換（詳細說明請見本章後網路索引）。範例 16.18 是個簡單的示範，您可以給 CommandUtil 工具類別一個 Map 物件與類別名稱，然後取得一個更新了值的實例，其中參數 Map 物件的「鍵」（Key）為要呼叫的 setter 方法名稱（不包括set開頭的名稱，例如 setName() 方法的話，只要給定鍵為 name 即可），而「值」（Value）為要設定給 setter 的引數。

範例 16.18 CommandUtil.java

package onlyfun.caterpillar;import java.lang.reflect.Method; import java.lang.reflect.Modifier; import java.util.Map;public class CommandUtil {// 給定Map物件及要產生的Bean類別名稱// 可以取回已經設定完成的物件public static Object getCommand(Map requestMap, String commandClass) throws Exception {Class c = Class.forName(commandClass);Object o = c.newInstance();return updateCommand(requestMap, o);}// 使用reflection自動找出要更新的屬性public static Object updateCommand(Map requestMap, Object command) throws Exception {Method[] methods = command.getClass().getDeclaredMethods();for(int i = 0; i < methods.length; i++) {// 略過private、protected成員// 且找出必須是set開頭的方法名稱if(!Modifier.isPrivate(methods[i].getModifiers()) &&!Modifier.isProtected(methods[i].getModifiers()) && methods[i].getName().startsWith("set")) {// 取得不包括set的名稱String name = methods[i].getName().substring(3).toLowerCase();// 如果setter名稱與鍵值相同// 呼叫對應的setter並設定值if(requestMap.containsKey(name)) {String param = (String) requestMap.get(name);Object[] values = findOutParamValues(param, methods[i]);methods[i].invoke(command, values);}}}return command; }// 轉換為對應型態的值private static Object[] findOutParamValues(String param, Method method) {Class[] params = method.getParameterTypes();Object[] objs = new Object[params.length];for(int i = 0; i < params.length; i++) {if(params[i] == String.class) {objs[i] = param;}else if(params[i] == Short.TYPE) {short number = Short.parseShort(param);objs[i] = new Short(number);}else if(params[i] == Integer.TYPE) {int number = Integer.parseInt(param);objs[i] = new Integer(number);}else if(params[i] == Long.TYPE) {long number = Long.parseLong(param);objs[i] = new Long(number);}else if(params[i] == Float.TYPE) {float number = Float.parseFloat(param);objs[i] = new Float(number);}else if(params[i] == Double.TYPE) {double number = Double.parseDouble(param);objs[i] = new Double(number);}else if(params[i] == Boolean.TYPE) {boolean bool = Boolean.parseBoolean(param);objs[i] = new Boolean(bool);}} return objs;} }

CommandUtil 可以自動根據方法上的參數型態，將 Map 物件中的「值」物件轉換為屬性上的對應型態，目前它可以轉換基本型態與 String 型態的屬性，一個使用 CommandUtil 類別的例子如範例 16.19 所示。

範例 16.19 CommandUtilDemo.java

package onlyfun.caterpillar;import java.util.*;public class CommandUtilDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {Map<String, String> request = new HashMap<String, String>();request.put("name", "caterpillar");request.put("score", "90");Object obj = CommandUtil.getCommand(request, args[0]);System.out.println(obj);} }

您可以使用範例 16.19 來載入 Student 類別，使用 CommandUtil.getCommand() 方法可以返回一個設定好值的 Student 實例，雖然您設定給 request 的「值」是字串型態，但 CommandUtil 會使用反射機制來自動轉換為屬性上的對應型態，一個執行的範例如下所示：

java onlyfun.caterpillar.CommandUtilDemo onlyfun.caterpillar.Student caterpillar:90

良葛格的話匣子?不知道方法的名稱如何呼叫？其實範例 16.17 就給出了答案，透過規範方法的命名方式，之後就可以透用反射機制加上方法名稱的比對，以正確呼叫對應的方法。

16.2.3 修改成員值

儘管直接存取類別的資料成員（Field）是不被鼓勵的，但您仍是可以直接存取公開的（public）資料成員，而您甚至也可以透過反射機制來存取私用資料成員，以一個實例來說明，首先撰寫個 TestedField 類別。

範例 16.20 TestField.java

package onlyfun.caterpillar;public class TestField {public int testInt;public String testString;public String toString() {return testInt + ":" + testString;} }

範例 16.21 則利用反射機制動態載入類別來存取資料成員。

範例 16.21 AssignFieldDemo.java

package onlyfun.caterpillar;import java.lang.reflect.Field; public class AssignFieldDemo {public static void main(String[] args) {try {Class c = Class.forName(args[0]);Object targetObj = c.newInstance();Field testInt = c.getField("testInt");testInt.setInt(targetObj, 99);Field testString = c.getField("testString");testString.set(targetObj, "caterpillar");System.out.println(targetObj);} catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {System.out.println("沒有指定類別");} catch (ClassNotFoundException e) {System.out.println("找不到指定的類別");} catch (SecurityException e) {e.printStackTrace();} catch (NoSuchFieldException e) {System.out.println("找不到指定的資料成員");} catch (InstantiationException e) {e.printStackTrace();} catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();} } }

您可以載入 TestField 類別來看看執行的結果，如下所示：

java onlyfun.caterpillar.AssignFieldDemo onlyfun.caterpillar.TestField 99:caterpillar

如果有必要的話，您也可以透過反射機制來存取私有的資料成員，例如：

Field privateField = c.getDeclaredField("privateField"); privateField.setAccessible(true); privateField.setInt(targetObj, 99);

16.2.4 再看陣列物件

在 Java 中陣列也是一個物件，也會有一個 Class 實例來表示它，範例 16.22 顯示幾個基本型態以及 String 陣列的類別名稱描述。

範例 16.22 ArrayDemo.java

package onlyfun.caterpillar;public class ArrayDemo {public static void main(String[] args) {short[] sArr = new short[5];int[] iArr = new int[5];long[] lArr = new long[5];float[] fArr = new float[5];double[] dArr = new double[5];byte[] bArr = new byte[5];boolean[] zArr = new boolean[5];String[] strArr = new String[5];System.out.println("short 陣列類別：" + sArr.getClass());System.out.println("int 陣列類別：" + iArr.getClass());System.out.println("long 陣列類別：" + lArr.getClass());System.out.println("float 陣列類別：" + fArr.getClass());System.out.println("double 陣列類別：" + dArr.getClass());System.out.println("byte 陣列類別：" + bArr.getClass());System.out.println("boolean 陣列類別：" + zArr.getClass());System.out.println("String 陣列類別：" + strArr.getClass());} }

使用 toString() 來顯示陣列物件的類別名稱描述時，會以 "class [" 作為開始，之後跟隨著一個型態表示字元，執行結果如下所示：

short 陣列類別：class [S int 陣列類別：class [I long 陣列類別：class [J float 陣列類別：class [F double 陣列類別：class [D byte 陣列類別：class [B boolean 陣列類別：class [Z String 陣列類別：class [Ljava.lang.String;

要使用反射機制動態生成陣列的話，可以使用 java.lang.reflect.Array 來協助，範例 16.23 簡單的示範了如何生成 String 陣列。

範例 16.23 NewArrayDemo.java

package onlyfun.caterpillar;import java.lang.reflect.Array;public class NewArrayDemo {public static void main(String[] args) {Class c = String.class;Object objArr = Array.newInstance(c, 5);for(int i = 0; i < 5; i++) {Array.set(objArr, i, i+"");}for(int i = 0; i < 5; i++) {System.out.print(Array.get(objArr, i) + " ");}System.out.println();String[] strs = (String[]) objArr;for(String s : strs) {System.out.print(s + " ");}} }

Array.newInstance() 的第一個參數是指定元素型態，而第二個參數是用來指定陣列長度，執行結果如下：

0 1 2 3 4 0 1 2 3 4

Array.newInstance() 還有另一個版本，可用於建立二維陣列，只要用一個表示二維陣列的兩個維度長度的 int 陣列，傳遞給第二個參數，範例 16.24 是個簡單示範。

範例 16.24 NewArrayDemo2.java

package onlyfun.caterpillar;import java.lang.reflect.Array;public class NewArrayDemo2 {public static void main(String[] args) {Class c = String.class;// 打算建立一個3*4陣列int[] dim = new int[]{3, 4};Object objArr = Array.newInstance(c, dim);for(int i = 0; i < 3; i++) {Object row = Array.get(objArr, i);for(int j = 0; j < 4; j++) {Array.set(row, j, "" + (i+1)*(j+1));}}for(int i = 0; i < 3; i++) {Object row = Array.get(objArr, i);for(int j = 0; j < 4; j++) {System.out.print(Array.get(row, j) + " ");}System.out.println();}} }

執行結果如下：

1 2 3 4 2 4 6 8 3 6 9 12

如果想要得知陣列元素的型態，可以在取得陣列的 Class 實例之後，使用 Class 實例的 getComponentType() 方法，所取回的是元素的 Class 實例，例如：

int[] iArr = new int[5]; System.out.println(iArr.getClass().getComponentType());

16.2.5 Proxy 類別

Java 在 J2SE 1.3 之後加入 java.lang.reflect.Proxy 類別，可協助您實現動態代理功能，舉個實際應用的例子，假設今天您打算開發一個 HelloSpeaker 類別，當中有一個 hello() 方法，而您想要在這個 hello() 呼叫前後加上記錄（log）的功能，但又不想將記錄的功能寫到 HelloSpeaker 類別中，這時您可以使用 Proxy 類別來實現動態代理。 要實現動態代理，首先要定義所要代理的介面，範例 16.25 為定義了有 hello() 方法的 IHello 介面。

範例 16.25 IHello.java

package onlyfun.caterpillar;public interface IHello {public void hello(String name); }

您的 HelloSpeaker 類別實現了 IHello 介面，如範例 16.26 所示。

範例 16.26 HelloSpeaker.java

package onlyfun.caterpillar;public class HelloSpeaker implements IHello { public void hello(String name) { System.out.println("Hello, " + name); } }

您可以實作一個處理記錄（log）的處理者（Handler），讓處理者在呼叫 hello() 方法的前後進行記錄的動作，一個處理者必須實現 java.lang.reflect.InvocationHandler 介面，InvocationHandler 有一個 invoke() 方法必須實現，範例 16.27 是個簡單的實現。

範例 16.27 LogHandler.java

package onlyfun.caterpillar;import java.util.logging.*; import java.lang.reflect.*; public class LogHandler implements InvocationHandler { private Logger logger = Logger.getLogger(this.getClass().getName()); private Object delegate; // 綁定要代理的物件public Object bind(Object delegate) { this.delegate = delegate;// 建立並傳回代理物件return Proxy.newProxyInstance(delegate.getClass().getClassLoader(),// 要被代理的介面delegate.getClass().getInterfaces(), this); }// 代理要呼叫的方法，並在其前後增加行為public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {Object result = null; try { logger.log(Level.INFO, "method starts..." + method.getName()); result = method.invoke(delegate, args); logger.log(Level.INFO, "method ends..." + method.getName()); } catch (Exception e){ logger.log(Level.INFO, e.toString()); } return result; } }

主要的概念是使用 Proxy.newProxyInstance() 方法建立一個代理物件，建立代理物件時必須告知所要代理的操作介面，之後您可以操作所建立的代理物件，在每次操作時會呼叫 InvocationHandler 的 invoke() 方法，invoke() 方法會傳入被代理物件的方法名稱與執行引數，實際上要執行的方法交由 method.invoke()，您在 method.invoke() 前後加上記錄動作，method.invoke() 傳回的物件是實際方法執行過後的回傳結果，先從範例 16.28 來看看一個執行的例子。

範例 16.28 ProxyDemo.java

package onlyfun.caterpillar;public class ProxyDemo {public static void main(String[] args) {LogHandler handler = new LogHandler(); IHello speaker = new HelloSpeaker();// 代理speaker的物件IHello speakerProxy = (IHello) handler.bind(speaker);speakerProxy.hello("Justin"); } }

執行結果如下：

2005/6/4 上午 09:39:11 onlyfun.caterpillar.LogHandler invoke 資訊: method starts...hello Hello, Justin 2005/6/4 上午 09:39:11 onlyfun.caterpillar.LogHandler invoke 資訊: method ends...hello

透過代理機制，在不將記錄動作寫入為 HelloSpeaker 類別程式碼的情況下，您可以為其加入記錄的功能，這並不是什麼魔法，只不過是在 hello() 方法前後由代理物件 speakerProxy 先執行記錄功能而已，而真正執行 hello() 方法時才使用 speaker 物件。

良葛格的話匣子?這邊的例子是「Proxy 模式」的實現，您可以進一步參考：

• Proxy 模式（一）
• Proxy 模式（二）

16.3 接下來的主題

每一個章節的內容由淺至深，初學者該掌握的深度要到哪呢？在這個章節中，對於初學者我建議至少掌握以下幾點內容：

• 瞭解 Class 實例與類別的關係
• 會使用 Class.forName() 載入類別並獲得類別資訊
• 會使用 Class 建立實例
• 會使用反射機制呼叫物件上的方法

下一個章節要來介紹 J2SE 5.0 中新增的 Annotation 功能，Annotation 是 J2SE 5.0 對 metadata 的支援，metadata 簡單的說就是「資料的資料」（Data about data），您可以使用 Annotation 對程式碼作出一些說明，以利一些程式碼分析工具來使用這些資訊。

from:?https://github.com/JustinSDK/JavaSE6Tutorial/blob/master/docs/CH16.md

總結

以上是生活随笔為你收集整理的第 16 章 反射（Reflection）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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