Class类

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除了int等基本类型外,Java的其他类型全部都是class(包括interface)。例如:

  • String
  • Object
  • Runnable
  • Exception
  • ...

仔细思考,我们可以得出结论:class(包括interface)的本质是数据类型(Type)。无继承关系的数据类型无法赋值:

Number n = new Double(123.456); // OK
String s = new Double(123.456); // compile error!

class是由JVM在执行过程中动态加载的。JVM在第一次读取到一种class类型时,将其加载进内存。

每加载一种class,JVM就为其创建一个Class类型的实例,并关联起来。注意:这里的Class类型是一个名叫Classclass。它长这样:

public final class Class {
    private Class() {}
}

String类为例,当JVM加载String类时,它首先读取String.class文件到内存,然后,为String类创建一个Class实例并关联起来:

Class cls = new Class(String);

这个Class实例是JVM内部创建的,如果我们查看JDK源码,可以发现Class类的构造方法是private,只有JVM能创建Class实例,我们自己的Java程序是无法创建Class实例的。

所以,JVM持有的每个Class实例都指向一个数据类型(classinterface):

┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> String
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.String"  │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> Random
├───────────────────────────┤
│name = "java.util.Random"  │
└───────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> Runnable
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.Runnable"│
└───────────────────────────┘

一个Class实例包含了该class的所有完整信息:

┌───────────────────────────┐
│      Class Instance       │──────> String
├───────────────────────────┤
│name = "java.lang.String"  │
├───────────────────────────┤
│package = "java.lang"      │
├───────────────────────────┤
│super = "java.lang.Object" │
├───────────────────────────┤
│interface = CharSequence...│
├───────────────────────────┤
│field = value[],hash,...   │
├───────────────────────────┤
│method = indexOf()...      │
└───────────────────────────┘

由于JVM为每个加载的class创建了对应的Class实例,并在实例中保存了该class的所有信息,包括类名、包名、父类、实现的接口、所有方法、字段等,因此,如果获取了某个Class实例,我们就可以通过这个Class实例获取到该实例对应的class的所有信息。

这种通过Class实例获取class信息的方法称为反射(Reflection)。

如何获取一个classClass实例?有三个方法:

方法一:直接通过一个class的静态变量class获取:

Class cls = String.class;

方法二:如果我们有一个实例变量,可以通过该实例变量提供的getClass()方法获取:

String s = "Hello";
Class cls = s.getClass();

方法三:如果知道一个class的完整类名,可以通过静态方法Class.forName()获取:

Class cls = Class.forName("java.lang.String");

因为Class实例在JVM中是唯一的,所以,上述方法获取的Class实例是同一个实例。可以用==比较两个Class实例:

Class cls1 = String.class;

String s = "Hello";
Class cls2 = s.getClass();

boolean sameClass = cls1 == cls2; // true

注意一下Class实例比较和instanceof的差别:

Integer n = new Integer(123);

boolean b3 = n instanceof Integer; // true
boolean b4 = n instanceof Number; // true

boolean b1 = n.getClass() == Integer.class; // true
boolean b2 = n.getClass() == Number.class; // false

instanceof不但匹配当前类型,还匹配当前类型的子类。而用==判断class实例可以精确地判断数据类型,但不能作子类型比较。

通常情况下,我们应该用instanceof判断数据类型,因为面向抽象编程的时候,我们不关心具体的子类型。只有在需要精确判断一个类型是不是某个class的时候,我们才使用==判断class实例。

因为反射的目的是为了获得某个实例的信息。因此,当我们拿到某个Object实例时,我们可以通过反射获取该Objectclass信息:

void printObjectInfo(Object obj) {
    Class cls = obj.getClass();
}

要从Class实例获取获取的基本信息,参考下面的代码:

// reflection
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        printClassInfo("".getClass());
        printClassInfo(Runnable.class);
        printClassInfo(java.time.Month.class);
        printClassInfo(String[].class);
        printClassInfo(int.class);
    }

    static void printClassInfo(Class cls) {
        System.out.println("Class name: " + cls.getName());
        System.out.println("Simple name: " + cls.getSimpleName());
        if (cls.getPackage() != null) {
            System.out.println("Package name: " + cls.getPackage().getName());
        }
        System.out.println("is interface: " + cls.isInterface());
        System.out.println("is enum: " + cls.isEnum());
        System.out.println("is array: " + cls.isArray());
        System.out.println("is primitive: " + cls.isPrimitive());
    }
}

注意到数组(例如String[])也是一种Class,而且不同于String.class,它的类名是[Ljava.lang.String。此外,JVM为每一种基本类型如int也创建了Class,通过int.class访问。

如果获取到了一个Class实例,我们就可以通过该Class实例来创建对应类型的实例:

// 获取String的Class实例:
Class cls = String.class;
// 创建一个String实例:
String s = (String) cls.newInstance();

上述代码相当于new String()。通过Class.newInstance()可以创建类实例,它的局限是:只能调用public的无参数构造方法。带参数的构造方法,或者非public的构造方法都无法通过Class.newInstance()被调用。

动态加载

JVM在执行Java程序的时候,并不是一次性把所有用到的class全部加载到内存,而是第一次需要用到class时才加载。例如:

// Main.java
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        if (args.length > 0) {
            create(args[0]);
        }
    }

    static void create(String name) {
        Person p = new Person(name);
    }
}

当执行Main.java时,由于用到了Main,因此,JVM首先会把Main.class加载到内存。然而,并不会加载Person.class,除非程序执行到create()方法,JVM发现需要加载Person类时,才会首次加载Person.class。如果没有执行create()方法,那么Person.class根本就不会被加载。

这就是JVM动态加载class的特性。

动态加载class的特性对于Java程序非常重要。利用JVM动态加载class的特性,我们才能在运行期根据条件加载不同的实现类。例如,Commons Logging总是优先使用Log4j,只有当Log4j不存在时,才使用JDK的logging。利用JVM动态加载特性,大致的实现代码如下:

// Commons Logging优先使用Log4j:
LogFactory factory = null;
if (isClassPresent("org.apache.logging.log4j.Logger")) {
    factory = createLog4j();
} else {
    factory = createJdkLog();
}

boolean isClassPresent(String name) {
    try {
        Class.forName(name);
        return true;
    } catch (Exception e) {
        return false;
    }
}

这就是为什么我们只需要把Log4j的jar包放到classpath中,Commons Logging就会自动使用Log4j的原因。

小结

JVM为每个加载的classinterface创建了对应的Class实例来保存classinterface的所有信息;

获取一个class对应的Class实例后,就可以获取该class的所有信息;

通过Class实例获取class信息的方法称为反射(Reflection);

JVM总是动态加载class,可以在运行期根据条件来控制加载class。


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