JVM专题之性能优化

1. 何为反射？

反射（Reflection）机制指的是程序在运行的时候能够获取自身的信息。具体来说，反射允许程序在运行时获取关于自己代码的各种信息。如果知道一个类的名称或者它的一个实例对象， 就能把这个类的所有方法和变量的信息(方法名，变量名，方法，修饰符，类型，方法参数等等所有信息)找出来。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。简单来说，就是面向对象看待一个类，即以面向对象的思想来抽象一个类。

反射是一种强大的功能，广泛应用于框架设计、依赖注入、单元测试和动态代理等领域。然而，由于反射会绕过编译时的类型安全检查，所以使用不当可能会导致更高的运行时错误几率和性能开销。因此，在使用反射时需要格外谨慎，以避免潜在的风险。

2. 反射的意义所在？

不过反射也存在明显的缺点：使用反射性能较低，需要解析字节码，且如果将内存中的对象进行解析，相对不安全，会破坏封装性。

3. 通过反射实例化对象

在Java中，可以通过反射获取类的构造器、方法、字段等信息：

class Test {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, InstantiationException, IllegalAccessException {

        // 下面这段代码是以反射机制的方式创建对象。

        // 通过反射机制，获取Class，通过Class来实例化对象
        Class c = Class.forName("com.reflectBean.User");

        // newInstance() 这个方法会调用User这个类的无参数构造方法，完成对象的创建。
        // 重点是：newInstance()调用的是无参构造，必须保证无参构造是存在的！
        Object obj = c.newInstance();

        Method method = c.getMethod("myMethod");
        method.invoke(obj);
    }
}

4. 获取Class类的三种方式

在Java编程中，获取 Class 对象的三种常用方式如下：

1. 通过类名的静态属性 class: 这是获取 Class 对象最简单的方法，适用于已知编译时类型的情况。

Class<MyClass> clazz = MyClass.class;

2. 通过对象的实例方法 getClass: 这是在运行时获取一个对象的 Class 对象的方法，适用于已知一个实例化对象的情况。

MyClass obj = new MyClass();
Class<? extends MyClass> clazz = obj.getClass();

3. 通过类名的字符串 forName: 这是动态加载类的一种方式，特别有用在类名只有在运行时才能确定的情况下。

try {
    Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");
} catch (ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}

5. 常用的Class类的方法

Class 类在 Java 中定义了大量的方法，可以用来反射性地获取类的各种信息或进行操作。不过需要注意的是，在使用反射进行私有成员访问时，需要设置相应的访问权限，如 setAccessible(true)。以下是一些常用的方法：

1. 类信息获取方法

2. 构造函数相关方法

3. 方法相关方法

4. 字段（成员变量）相关方法

5. 类层次结构相关方法

6. 实例创建方法

7. 其他方法

6. 获取Field的四种方式

在Java中，可以通过Class对象获取某个类的字段（Field），Field类代表类的成员变量。获取 Field的几种常用方式如下：

1. 通过字段名获取公共字段 (public 属性)：

try {
    Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");
    Field field = clazz.getField("userName");
    // 对 field 进行操作
    // ...

} catch (NoSuchFieldException | ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}

2. 获取所有公共字段 (public 属性)：

try {
    Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");
    Field[] fields = clazz.getFields();
    for (Field field : fields) {
        // 对每个 field 进行操作
        // ...    
    }
} catch (ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}

3. 通过字段名获取任何字段（包括私有、保护和包访问属性）：

try {
    Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");
    Field field = clazz.getDeclaredField("password");
    // 允许访问私有字段
    field.setAccessible(true);  
    // 对 field 进行操作，比如设置可访问性
    field.setAccessible(true);
} catch (NoSuchFieldException | ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}

4. 获取所有字段（包括私有、保护和包访问属性）：

try {
    Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");
    Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();
    for (Field field : fields) {
        // 对每个 field 进行操作，比如设置可访问性
        field.setAccessible(true);
    }
} catch (ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}

7. 常用的Field类的方法

在Java中，Field类提供了许多方法，用于获取和操作类的字段（成员变量）。以下是一些常用的方法：

1. 获取字段信息的方法

2. 访问和修改字段值的方法

3. 访问控制

8. 获取Method的四种方式

在Java中，可以通过反射机制获取类的方法（Method）对象。以下是几种常用的方法获取方式：

1. 通过方法名和参数类型获取公共方法

try {
            // 获取类的Class对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");
            // 通过方法名和参数类型获取公共方法
            Method method = clazz.getMethod("publicMethod", String.class);
            // 调用方法
            method.invoke(null, "参数");

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

2. 获取所有公共方法

try {
            // 获取类的Class对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");

            // 获取所有公共方法
            Method[] methods = clazz.getMethods();

            // 遍历所有方法
            for (Method method : methods) {
                // 获取方法名
                String methodName = method.getName();
                // 判断方法名是否为getName
                if (methodName.equals("getName")) {
                    // 执行getName方法
                    Object result = method.invoke(user);
                    System.out.println(result);
                }
            }

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

3. 通过方法名和参数类型获取任意方法（包括私有、保护和默认访问权限的方法）

try {
            // 获取类的Class对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.reflectBean.User");

            // 通过方法名和参数类型获取任意方法
            Method method = clazz.getDeclaredMethod("privateMethod", int.class);
             // 调用方法
            method.invoke(new com.reflectBean.User(), 100);

            // 允许访问私有方法
            method.setAccessible(true);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

4. 获取所有的任意方法（包括私有、保护和默认访问权限的方法）

try {
            // 获取类的Class对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.example.MyClass");

            // 获取所有任意方法
            Method[] methods = clazz.getDeclaredMethods();
            for (Method method : methods) {
                // 对每个 method 进行操作
                // ...
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

9. 常用的Method的方法

Method类在Java反射中提供了许多方法，这些方法可以用于获取方法的各类信息、调用方法以及操作注解等。以下是一些常用的Method类方法：

1. 获取方法信息的方法

2. 调用方法

3. 注解相关的方法

4. 设置和获取访问控制

5. 其他常用方法

10. 实践出真知

好了，扯了那么久反射的概念和基础使用，接下来，结合反射的内容，我们来简单演示通过反射去实现一些基本业务。

10.1 如何通过反射获取和设置对象私有字段的值？

那么接下来演示下代码的实现流程：

假设有一个包含私有字段的类：AccountBalance.class

public class AccountBalance {

    // 设置初始值为100
    private BigDecimal balance = new BigDecimal(100);

    // 默认构造函数
    public AccountBalance() {
    }

    // 打印字段值的方法
    public void printField() {
        System.out.println("当前的账户余额为: " + balance);
    }
}

接下来，我们来演示下怎么通过反射获取账户余额，然后变更私有字段：

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建 AccountBalance 对象实例
            AccountBalance account = new AccountBalance();

            // 获取 AccountBalance 的 Class 对象
            Class<?> clazz = account.getClass();

            // 获取私有字段
            Field privateField = clazz.getDeclaredField("balance");

            // 设置字段的可访问性为 true
            privateField.setAccessible(true);

            // 获取私有字段的值
            BigDecimal initBlance = (BigDecimal) privateField.get(account);
            System.out.println("最初的账号余额为： " + initBlance);

            // 设置私有字段的值
            privateField.set(account, new BigDecimal(50));

            // 验证字段值已经更新
            initBlance = (BigDecimal) privateField.get(account);
            System.out.println("本次扣除的账户余额为： " + initBlance);

            // 使用类的方法验证字段被正确修改
            account.printField();
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

控制台输出：

10.2 如何用反射机制创建对象呢？

还是假设我们有一个包含无参和有参数构造函数的类AccountBalance.class

public class AccountBalance {
    // 设置初始值为100
    private BigDecimal balance = new BigDecimal(100);

    // 默认构造函数
    public AccountBalance() {
        System.out.println("调用无参构造函数");
    }

    // 有参构造函数
    public AccountBalance(BigDecimal initialBalance) {
        this.balance = initialBalance;
        System.out.println("调用带参数的构造函数：初始化余额为 " + initialBalance);
    }

    // 打印字段值的方法
    public void printField() {
        System.out.println("当前的账户余额为: " + balance);
    }
}

使用Constructor.newInstance()创建对象并访问其方法

public void Test {

     public static void main(String[] args) {
        try {
            // 获取 AccountBalance 的 Class 对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.example.AccountBalance");

            // 获取有参构造函数
            Constructor<?> constructor = clazz.getConstructor(BigDecimal.class);

            // 使用构造函数创建实例并传递参数
            Object obj = constructor.newInstance(new BigDecimal(200));

            // 验证对象创建成功，通过调用方法
            Method printMethod = clazz.getMethod("printField");
            printMethod.invoke(obj);
            
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

10.3 如何反编译一个类的构造方法？

我们仍然以AccountBalance类为例进行说明。

public class AccountBalance {
    // 设置初始值为100
    private BigDecimal balance = new BigDecimal(100);

    // 默认构造函数
    public AccountBalance() {
        System.out.println("调用无参构造函数");
    }

    // 有参构造函数
    public AccountBalance(BigDecimal initialBalance) {
        this.balance = initialBalance;
        System.out.println("调用带参数的构造函数：初始化余额为 " + initialBalance);
    }

    // 打印字段值的方法
    public void printField() {
        System.out.println("当前的账户余额为: " + balance);
    }
}

进行反编译构造方法流程：

public void Test {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 获取 AccountBalance 的 Class 对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.example.AccountBalance");

            // 获取所有声明的构造方法（包括私有构造方法）
            Constructor<?>[] constructors = clazz.getDeclaredConstructors();

            for (Constructor<?> constructor : constructors) {
                // 获取构造方法的修饰符
                String modifiers = Modifier.toString(constructor.getModifiers());

                // 获取构造方法的参数类型
                Class<?>[] parameterTypes = constructor.getParameterTypes();
                StringBuilder params = new StringBuilder();
                for (int i = 0; i < parameterTypes.length; i++) {
                    params.append(parameterTypes[i].getSimpleName());
                    if (i < parameterTypes.length - 1) {
                        params.append(", ");
                    }
                }

                // 打印构造方法的详细信息
                System.out.println(modifiers + " " + clazz.getSimpleName() + "(" + params + ") { }");
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
}

10.4  给定一个类，如何获取这个类的基类以及实现的接口呢？

假设定义了以下类和接口：ChildClass.class 和 Parent.class、Car.java。

public class ChildClass extends ParentClass implements Car {

}

public class ParentClass {

}

public interface Car {
}

获取一个类的父类和实现的接口的具体示例：

public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        try {
            // 获取 ChildClass 的 Class 对象
            Class<?> clazz = Class.forName("com.example.ChildClass");

            // 获取父类
            Class<?> superClass = clazz.getSuperclass();
            System.out.println("父类: " + superClass.getName());

            // 获取实现的接口
            Class<?>[] interfaces = clazz.getInterfaces();
            System.out.println("实现的接口:");
            for (Class<?> iface : interfaces) {
                System.out.println(iface.getName());
            }

        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
}

11. 总结

反射机制是Java语言中一种强大的功能，它让我们能够在运行时进行一些本应只能在编译时完成的操作。这个功能的特点就是使得程序可以动态地检查和操作类、方法、字段等，从而带来了极大的灵活性。简单来说，反射机制使得开发人员能够编写更加灵活和动态的代码。举个例子，我们可以根据配置文件来动态创建对象、实现依赖注入、在运行时调用方法而不需要提前知道方法的名称。

然而，反射机制虽然给我们带来了好处，但也有一些弊端需要注意。首先，反射通常会比直接调用要慢，因为它会绕过一些编译时的优化。其次，由于反射机制允许操作私有成员，可能会破坏封装性和安全性。最后，使用反射的代码可读性降低，同时也更难以维护和调试。因此，在使用反射时需要谨慎考虑其影响。