『聚合』 面试官：说说反射的底层实现原理？

反射是 Java 面试中必问的面试题，但只有很少人能真正的理解“反射”并讲明白反射，更别说能说清楚它的底层实现原理了。所以本文就通过大白话的方式来系统的讲解一下反射，希望大家看完之后能真正的理解并掌握“反射”这项技术。

1.什么是反射？

反射在程序运行期间动态获取类和操纵类的一种技术。通过反射机制，可以在运行时动态地创建对象、调用方法、访问和修改属性，以及获取类的信息。

2.反射的应用有哪些？

反射在日常开发中使用的地方有很多，例如以下几个：

1. 动态代理：反射是动态代理的底层实现，即在运行时动态地创建代理对象，并拦截和增强方法调用。这常用于实现 AOP 功能，如日志记录、事务管理等。
2. Bean 创建：Spring/Spring Boot 项目中，在项目启动时，创建的 Bean 对象就是通过反射来实现的。
3. JDBC 连接：JDBC 中的 DriverManager 类通过反射加载并注册数据库驱动，这是 Java 数据库连接的标准做法。

3.反射实现

反射的关键实现方法有以下几个：

1. 得到类：Class.forName("类名")
2. 得到所有字段：getDeclaredFields()
3. 得到所有方法：getDeclaredMethods()
4. 得到构造方法：getDeclaredConstructor()
5. 得到实例：newInstance()
6. 调用方法：invoke()

具体使用示例如下：

// 1.反射得到对象
Class<?> clazz = Class.forName("User");
// 2.得到方法
Method method = clazz.getDeclaredMethod("publicMethod");
// 3.得到静态方法
Method staticMethod = clazz.getDeclaredMethod("staticMethod");
// 4.执行静态方法
staticMethod.invoke(clazz);

反射执行私有方法代码实现如下：

// 1.反射得到对象
Class<?> clazz = Class.forName("User");
// 2.得到私有方法
Method privateMethod = clazz.getDeclaredMethod("privateMethod");
// 3.设置私有方法可访问
privateMethod.setAccessible(true);
// 4.得到实例
Object user = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
// 5.执行私有方法
privateMethod.invoke(user);

4.底层实现原理

从上述内容可以看出，对于反射来说，操纵类最主要的方法是 invoke，所以搞懂了 invoke 方法的实现，也就搞定了反射的底层实现原理了。

invoke 方法的执行流程如下：

1. 查找方法：当通过 java.lang.reflect.Method 对象调用 invoke 方法时，Java 虚拟机（JVM）首先确认该方法是否存在并可以访问。这包括检查方法的访问权限、方法签名是否匹配等。
2. 安全检查：如果方法是私有的或受保护的，还需要进行访问权限的安全检查。如果当前调用者没有足够的权限访问这个方法，将抛出 IllegalAccessException。
3. 参数转换和适配：invoke 方法接受一个对象实例和一组参数，需要将这些参数转换成对应方法签名所需要的类型，并且进行必要的类型检查和装箱拆箱操作。
4. 方法调用：对于非私有方法，Java 反射实际上是通过 JNI（Java Native Interface，Java 本地接口）调用到 JVM 内部的 native 方法，例如 java.lang.reflect.Method.invoke0()。这个 native 方法负责完成真正的动态方法调用。对于 Java 方法，JVM 会通过方法表、虚方法表（vtable）进行查找和调用；对于非虚方法或者静态方法，JVM 会直接调用相应的方法实现。
5. 异常处理：在执行方法的过程中，如果出现任何异常，JVM 会捕获并将异常包装成 InvocationTargetException 抛出，应用程序可以通过这个异常获取到原始异常信息。
6. 返回结果：如果方法正常执行完毕，invoke 方法会返回方法的执行结果，或者如果方法返回类型是 void，则不返回任何值。

通过这种方式，Java 反射的 invoke 方法能够打破编译时的绑定，实现运行时动态调用对象的方法，提供了极大的灵活性，但也带来了运行时性能损耗和安全隐患（如破坏封装性、违反访问控制等）。

5.优缺点分析

反射的优点如下：

1. 灵活性：使用反射可以在运行时动态加载类，而不需要在编译时就将类加载到程序中。这对于需要动态扩展程序功能的情况非常有用。
2. 可扩展性：使用反射可以使程序更加灵活和可扩展，同时也可以提高程序的可维护性和可测试性。
3. 实现更多功能：许多框架都使用反射来实现自动化配置和依赖注入等功能。例如，Spring 框架就使用反射来实现依赖注入。

反射的缺点如下：

1. 性能问题：使用反射会带来一定的性能问题，因为反射需要在运行时动态获取类的信息，这比在编译时就获取信息要慢。
2. 安全问题：使用反射可以访问和修改类的字段和方法，这可能会导致安全问题。因此，在使用反射时需要格外小心，确保不会对程序的安全性造成影响。

课后思考

为什么反射的执行效率比较低？动态代理的实现除了反射之外，还有没有其他的实现方法？

本文已收录到我的面试小站 www.javacn.site，其中包含的内容有：Redis、JVM、并发、并发、MySQL、Spring、Spring MVC、Spring Boot、Spring Cloud、MyBatis、设计模式、消息队列等模块。