Java泛型机制与反射原理相关知识总结
作者：知了一笑
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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